สรุปเนื้อหา ฟิสิกส์นิวเคลียร์ คืออะไร เรียนอะไรบ้าง หาคำตอบได้ที่นี่

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ เป็นนึงในเนื้อหาของฟิสิกส์ ม.ปลาย ที่น้องๆสายวิทย์ทุกคนต้องเจอ ประกอบไปด้วยเนื้อหาต่างๆที่ครอบคลุมการเรียนวิทยาศาตร์ในตลอดหลักสูตรมัธยมศึกษาตอนปลายเอาไว้ เพราะฉะนั้นเด็กสายวิทย์คนไหนที่อยากจะเน้นเรื่องนี้ ต้องไม่พลาดที่จะ มาติวเข้มกับติวเตอร์ที่ Athome กันนะคะ เพราะว่าที่ Athome เรามีติวเตอร์ที่เก่งทางด้าน ฟิสิกส์นิวเคลียร์ โดยเฉพาะที่ไม่ว่าจะเป็นเนื้อหาไหน ต้องใช้สูตรอะไร หรือน้องๆคนไหน อยากจะติวเข้มเนื้อหาส่วนไหนเป็นพิเศษก็สามารถวางแผนและออกแบบคอร์สเรียนออนไลน์กับทางเว็บไซต์ของเราได้เลย

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ คืออะไร?

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ก็คือ การศึกษาฟิสิกส์ที่แตกแยกออกมาในเรื่องของ “นิวเคลียส” โดยจะศึกษา ถึงองค์ประกอบต่างๆ รวมไปถึงปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียสทั้งหลายของอะตอม การประยุกต์ใช้ฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่เป็นที่รู้จักกันดีที่สุด ก็คือ เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้านิวเคลียร์ และการนำนิวเคลียร์มาสร้างเป็นอาวุธนั่นเองค่ะ แต่น้องๆทราบหรือไม่คะ ว่ามีงานวิจัยที่สามารถนำนิวเคลียร์ไปประยุกต์ใช้ ได้อีกในหลายสาขาเลย ตัวอย่างเช่น

สำหรับในทางทฤษฎี นิวเคลียส ยังเป็นสิ่งที่ไม่สามารถที่จะทำความเข้าใจได้แบบ 100 เปอร์เซ็นต์ เพราะในนิวเคลียสประกอบไปด้วยอานุภาคจำนวนมาก เช่น โปรตอน และ นิวตรอน แต่ในอนุภาคเหล่านั้นก็ยังไม่มีขนาดใหญ่พอ ที่จะสามารถอธิบายลักษณะของมันได้ชัดเจนเหมือนกับ “ผลึก” ดังนั้นในการศึกษาพฤติกรรมทางนิวเคลียร์ จึงจำเป็นต้องใช้แบบจำลองของ “นิวเคลียส” มาใช้ในการ ทำการศึกษานั่นเอง ซึ่งจะสามารถศึกษาโดยการจำลองอย่างเดียวก็ได้หรือจะนำไปใช้ร่วมกับวิธีการอื่นๆก็ได้เช่นกัน

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ เรียนอะไร?

ความรู้เบื้องต้นสำหรับ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ คือน้องๆ จำเป็นที่จะต้องรู้ก่อนว่า นิวเคลียสของอะตอม,
นิวคลีออน, ไอโซโทป, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และ สัญลักษณ์นิวเคลียร์ ว่าทั้งหมดนี้คืออะไร และมีความหมายอย่างไร เพราะฉะนั้นเพื่อเป็นการอธิบายน้องๆ ให้เข้าใจได้อย่างสังเขป เรามาดูความหมายกันเลยดีกว่าค่ะ ว่าทั้งหมดนั้นคืออะไรบ้าง  

1) นิวเคลียสของอะตอม
คือ อนุภาคที่อยู่ตรงกลางของอะตอม ประกอบด้วยอนุภาค 2 ชนิดคือ โปรตอน (proton) และ
นิวตรอน (neutron)

2) นิวคลีออน (Nucleon)
คือ องค์ประกอบที่รวมเป็นอนุภาคของนิวเคลียส ซึ่งมีค่าเท่ากับ จํานวนของ
โปรตอน + จํานวนของ นิวตรอน

3) ปฎิกิริยานิวเคลียร์
คือ กระบวนการที่ทำให้นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลง พลังงานหรือองค์ประกอบ ในทุกๆสมการของ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และเพื่อเป็นการแสดงให้เห็นว่าประจุไฟฟ้ารวมนั้นมีค่าคงตัว ผลบวกของเลข อะตอม จะต้องมี ปฏิกิริยาเท่ากัน ทั้งในก่อนและหลัง รวมไปถึงผลบวกของเลขมวล
ทั้งก่อนและหลังก็จะต้องมีปฏิกิริยาที่เท่ากันด้วย โดยปฏิกิริยาที่มีค่าเท่ากันก็แสดงได้ว่า จำนวนนิวเคลียสทั้งหมดนั้นคงตัว

4) สัญลักษณ์ของนิวเคลียร์ (nuclear symbol) หรือ นิวไคลด์ (nuclide)
ชนิดหนึ่งของธาตุ ซึ่งถ้าหากว่าเราต้องการจะระบุชนิดของนิวไคลด์ ก็จำเป็นต้องใช้จำนวนของ
โปรตอน และ นิวตรอน ในการระบุ ดังต่อไปนี้

จากรูป

Z เท่ากับ เลขอะตอม (atomic number) หมายถึง จำนวน โปรตอน ในนิวเคลียส

n เท่ากับ เลย์นิวตรอน (neutron number) หมายถึง จำนวน นิวตรอน ในนิวเคลียส

A เท่ากับ เลขมวล (mass number) หมายถึง จำนวน นิวคลีออน ในนิวเคลียส

แทนค่าได้เท่ากับ A = Z + n

โดย X แทนสัญลักษณ์ทางเคมี (chemical symbol) หมายความว่า X คือสัญลักษณ์ของธาตุทางเคมี

5) ไอโซโทป (Isotope) คือ นิวเคลียสของธาตุที่มีชนิดเหมือนกัน และเลขอะตอม Z เท่ากัน แต่มีเลขมวลของ A ที่ต่างกัน ไอโซโทปมี 2 ชนิดได้แก่

·  ไอโซโทปที่ไม่แผ่รังสี คือ ไอโซโทปเสถียร

·  ไอโซโทปที่แผ่รังสีได้ คือ ไอโซโทปกัมมันตรังสี

เจาะลึก กัมมันตภาพรังสี คืออะไร ถูกค้นพ้นได้อย่างไร?

กัมมันตภาพรังสี ถูกค้นพบเป็นครั้งแรกโดยบังเอิญจากนักเคมีชาวฝรั่งเศส “อองตวน อองรี แบ็กเคอแรล” ในปี พ.ศ. 2439 เขาค้นพบว่า ธาตุที่มีมวลอะตอมมาก จะสามารถปล่อยรังสีบางชนิดออกมา โดยเหตุการณ์นั้นเขาได้นำฟิล์มถ่ายรูปไปวางไว้ใกล้ๆกับเกลือโพเทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต ที่มีกระดาษดำหุ้มอยู่ ปรากฏว่าเหตุการณ์นั้นทำให้เกิดรอยดำบนแผ่นฟิล์ม ที่มีลักษณะเหมือนถูกแสง นั่นทำให้เขาค้นพบว่าจะต้องมีรังสีที่มีพลังงานสูงบางอย่างปล่อยออกมาจากเกลือโพเทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต ที่ไปกระทบกับฟิล์มทำให้ฟิล์มกลายเป็นอย่างนั้น ซึ่งในเวลาต่อมาเขาก็ยังได้ค้นพบอีกว่าอัตราการปล่อยรังสีของเกลือนี้แปรผัน ไปตามปริมาณของเกลือ

หลังจากนั้น “ปีแอร์ กูรี” และ “มารี กูรี” ก็ยังได้ค้นพบอีกว่า พอโลเนียม เรเดียม และ ทอเรียม
ก็สามารถที่จะแผ่รังสีได้เหมือนกัน ซึ่งปรากฏการณ์ที่ธาตุสามารถที่จะแผ่รังสีได้เองแบบต่อเนื่องนี้ เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี  ส่วนธุตที่มีคุณสมบัติการการแผ่รังสีได้เองจะถูกเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี 

รังสีใน ฟิสิกส์นิวเคลียร์

รังสีใน ฟิสิกส์นิวเคลียร์ มีอยู่ทั้งหมด 3 ชนิดได้แก่

1) รังสีแอลฟา

มีส่วนประกอบเป็น นิวเคลียส ของธาตุฮีเลียมมีมวล มีพลังงานประมาณ 4-10 MeV รังสีแอลฟาสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดีจึงเสีย พลังงานอย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมากกล่าวคือสามารถวิ่งผ่านอากาศได้ ประมาณ 3-5 เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบาง ๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจาก รังสีนี้คือนิวเคลียสที่เป็นอนุภาค บางครั้งจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา

2) รังสีบีตา

เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คือ อิเล็กตรอน
(ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส) มีพลังงาน ตั้งแต่ 0.04-3.2 MeV รังสีบีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 1-3 เมตร อำนาจทะลุผ่าน ของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา

3) รังสีแกมมา

เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมา มีพลังงานประมาณ ตั้งแต่ 0.04-3.2 MeV สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียม ที่หนาหลายเซนติเมตร ได้ จึงมีอำนาจทะลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้ง 3 ชนิด

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction)  คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบซึ่งเกิดจากการยิงด้วย นิวคลีออน กลุ่มนิวคลีออน หรือ รังสีแกมมา แล้วทำให้มีนิวคลีออนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสหรือออกไปจากนิวเคลียสหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงจัดตัวใหม่ภายในนิวเคลียส สามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาได้

โดยที่ X เป็นนิวเคลียสที่เป็นเป้า ,  a คืออนุภาคที่วิ่งเข้าชนเป้า , b คืออนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่หลังจากการชน และ Y คือนิวเคลียสของธาตุใหม่หลังจากการชน เช่น   แสดงถึงว่า เป็นนิวเคลียสเป้าหมายที่ถูกยิง   เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เกิดขึ้น n คือนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ใช้ในการยิง และ เป็นรังสีที่เกิดขึ้นใหม่ เป็นต้น

ปฏิกิริยานิวเคลียร์  ส่วนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา  โปรตอนและนิวตรอนเข้าไปในชน Nucleus ทำให้  Nucleus แตกออก  ปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีส่วนสำคัญคือ

1. ปฏิกิริยา Nuclear เกิดในนิวเคลียส ต่างจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับอิเลกตรอนภายในอะตอม

2. ปฏิกิริยา Nuclear ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส

3. แรงจากปฏิกิริยา Nuclear เป็นแรงแบบใหม่ เรียก แรงนิวเคลียร์ ซึ่งมีอันตรกริยาสูงและอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสเท่านั้น

4. ในปฏิกิริยานิวเคลียส เราสามารถนำกฎต่างๆ มาใช้ได้เป็นอย่างดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน  กฎทรงมวล  และการคงที่ของประจุไฟฟ้า

 ตัวอย่าง ฟิสิกส์นิวเคลียร์ พร้อมเฉลยให้ดูหรือไม่?

มีแน่นอนค่ะ น้องๆสามารถดูโจทย์พร้อมวิธีทำ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ สูตร ที่ใช้ได้เลย 

1. สาเหตุของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี คือข้อใด

ก. เปลี่ยนอุณหภูมิและความดันของวัตถุ

ข. นำวัตถุนั้นไปวางไว้ในสุญญากาศ

ค. เปลี่ยนจำนวนอิเล็กตรอนของวัตถุ

ง. ไม่มีข้อใดถูก

เฉลยข้อ ง.

แนวคิด การแผ่รังสีไม่ขึ้นกับอุณหภูมิหรือความดันหรือสิ่งแวดล้อมเลย

---

2. ตามหลักของรัทเทอร์ฟอร์ด อัตราการแผ่รังสีของสารกัมมันตรังสี ขึ้นกับ

 1. เวลา

2. จำนวนอนุภาคที่พร้อมจะสลาย

 3. อุณหภูมิ

4. แสงแดด

เฉลยข้อ ข.

แนวคิด