ฟิสิกส์นิวเคลียร์

อะตอม ประกอบด้วย นิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ตรงกลาง และมี อิเล็กตรอน เคลื่อนที่รอบๆ (อยู่ใน วงโคจร เหมือนดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์)

• นิวเคลียสมี ประจุเป็นบวก
• อิเล็กตรอนมีประจุลบ
• อะตอมโดยรวมเป็นกลาง เนื่องจากประจุบวกและประจุลบมีค่าเท่ากัน

มวลเกือบทั้งหมดอยู่ที่นิวเคลียส แต่นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับอะตอมทั้งหมด ดังนั้นอะตอมจึงเป็นพื้นที่ว่างส่วนใหญ่

ไอออน

อะตอมเป็นกลาง แต่สามารถรับหรือเสียอิเล็กตรอนเพื่อกลายเป็น ไอออน

• เสียอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า → เป็นไอออนบวก (ตอนนี้มีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน)
• รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า → เป็นไอออนลบ

การทดลองการกระเจิงอัลฟา

การทดลองนี้ให้หลักฐานสนับสนุนโมเดลนิวเคลียร์ อนุภาคอัลฟา α (ขนาดเล็ก, ความเร็วสูง, บวก) ถูกยิงเข้าหาแผ่น ทองคำบาง และการ กระเจิง (วิธีที่มันเด้งกลับ) ถูกสังเกต

ผลลัพธ์และสิ่งที่บ่งบอก:

• อนุภาคอัลฟาเกือบทั้งหมดทะลุผ่านตรงไป → อะตอมเป็นพื้นที่ว่างส่วนใหญ่
• บางส่วนถูก เบี่ยงเบน (โค้ง) ด้วยมุมเล็ก → นิวเคลียสมีประจุบวก ซึ่งผลักอนุภาคอัลฟาที่เป็นบวกออก
• น้อยมากที่เด้งกลับ aproape ตรงไป → นิวเคลียสมีขนาดเล็กและหนักมาก และเก็บมวลส่วนใหญ่ของอะตอมไว้

นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคสองชนิด รวมกันเรียกว่า นิวคลีออน:

• โปรตอน ซึ่งมี ประจุสัมพัทธ์เท่ากับ $+1$;
• นิวตรอน ซึ่งมีประจุสัมพัทธ์เท่ากับ $0$ (它们是中性).

อิเล็กตรอนมีประจุสัมพัทธ์เท่ากับ $-1$ โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมี มวลสัมพัทธ์ประมาณ $1$; อิเล็กตรอนมีมวลน้อยมากเมื่อเทียบ

ตัวเลขสองตัวอธิบายนิวเคลียส:

• เลขอะตอม $Z$ (เรียกว่า เลขอะตอมด้วย) — จำนวนโปรตอน;
• เลขนิวคลีออน $A$ (เรียกว่า เลขมวลด้วย) — จำนวนโปรตอนบวกนิวตรอน

ดังนั้นจำนวนนิวตรอนคือ $A - Z$

เราเขียนนิวเคลียสในรูปแบบ นิวไคลด์:

โดยที่ X คือสัญลักษณ์ทางเคมี ตัวอย่างเช่น $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ มี $79$ โปรตอน และ $197 - 79 = 118$ นิวตรอน ประจุสัมพัทธ์ของนิวเคลียสทั้งชุดคือ $+Z$ (ในที่นี้คือ $+79$) และมีมวลสัมพัทธ์ประมาณ $A$

ไอโซโทป

ไอโซโทปคืออะตอมของธาตุเดียวกัน ($Z$ เดียวกัน) แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ($A$ ต่างกัน)它们在化学性质上相同但在原子核内不同。ตัวอย่างเช่น, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ และ $^{14}_{\ 6}\text{C}$ ทั้งคู่เป็นคาร์บอน

การแตกตัวและการรวมตัวของนิวเคลียส

ในการ แตกตัวนิวเคลียส, นิวเคลียสหนักดูดกลืนนิวตรอนแล้วแตกออกเป็นนิวเคลียสเล็กสองตัว ปล่อยนิวตรอนสองหรือสามตัวและ พลังงานจำนวนมาก:

ตัวเลขด้านบน (เลขนิวคลีออน) สมดุลทั้งสองข้าง และตัวเลขด้านล่าง (เลขอะตอม) ก็สมดุลเช่นกัน คุณสามารถใช้สิ่งนี้หาค่าที่หายไป — ตัวอย่างเช่น มีนิวตรอนกี่ตัวที่ถูกปล่อยออกมา

ในการ รวมตัวนิวเคลียส, นิวเคลียสเบาสองตัวรวมกันเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า ปล่อยพลังงานออกด้วย นี่คือวิธีที่ดวงอาทิตย์สร้างพลังงาน由其通过将氢原子核结合成氦。ปฏิกิริยาด้านล่าง —形成的两个重氢形式（氘和氚）结合成氦——是地球上聚变反应堆使用的反应：

ในการแตกตัวและการรวมตัวนิวเคลียส มวลส่วนเล็กน้อยจะหายไปและเปลี่ยนเป็นพลังงาน

นิวเคลียสที่ ไม่เสถียร จะสลายตัวและปล่อย รังสี ออกมา sooner or later. นี่คือ การสลายตัวแบบกัมมันตรังสี. นิวเคลียสอาจไม่เสถียรเพราะมีนิวตรอนมากเกินไป หรือเพราะหนักเกินไป

การสลายตัวเป็น ธรรมชาติ (เกิดขึ้นเอง โดยไม่สามารถเร่งหรือชะลอได้) และเป็น สุ่ม (คุณไม่สามารถบอกว่านิวเคลียสใดจะสลายตัวต่อไป หรือเมื่อไหร่ก็ตาม)

รังสีพื้นหลัง

รังสีบางส่วนมีอยู่รอบตัวเราตลอดเวลา นี่คือ รังสีพื้นหลัง. แหล่งกำเนิดหลักของ它有:

• ก๊าซ เรดอน ในอากาศ (มักจะเป็นแหล่งที่ใหญ่ที่สุด);
• หินและอาคาร;
• อาหารและเครื่องดื่ม;
• รังสีคอสมิก จากอวกาศ

การวัดรังสี

รังสีสามารถวัดได้ด้วย เครื่องตรวจจับ ที่เชื่อมต่อกับ เคาน์เตอร์. อัตราการนับคือจำนวนการนับต่อวินาที (หรือต่อนาฬิกา)

ในการหาอัตราการนับจริงจากแหล่งกำเนิด ให้วัดอัตราการนับพื้นหลังก่อน แล้วลบออก คำตอบคือ อัตราการนับที่ปรับแล้ว:

ตัวอย่างวิธีทำ เครื่องตรวจจับที่วางอยู่ใกล้แหล่งกำเนิดอ่านค่าได้ $250$ ครั้ง/นาที เมื่อย้ายแหล่งกำเนิดออกไป อัตราการนับพื้นหลังคือ $30$ ครั้ง/นาที จงหาอัตราการนับที่ปรับแล้ว

รังสีอาจเป็นหนึ่งในสามประเภท แต่ละชนิดมีคุณสมบัติ ไอออไนซ์ ซึ่งหมายความว่าสามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมในเส้นทางของมันได้

ดังนั้น อนุภาคแอลฟา จึงมีคุณสมบัติ ไอออไนซ์ สูงที่สุดแต่ ทะลุผ่าน ต่ำที่สุด (ถูกดูดซับได้ง่าย) อนุภาคเบตา β อยู่ตรงกลาง รังสีแกมมา γ มีการไอออไนซ์ต่ำที่สุดแต่ทะลุผ่านได้ดีที่สุด

เราสามารถอธิบายผลของการไอออไนซ์ได้จากประจุและ พลังงานจลน์: อนุภาคแอลฟามีประจุมาก ($+2$) และเคลื่อนที่ช้าและมีมวลมาก ทำให้มันดึงอิเล็กตรอนที่它以ผ่านอย่างแรงและไอออไนซ์จำนวนมาก อนุภาคเบตามีประจุน้อยกว่าและเคลื่อนที่เร็วกว่า จึงไอออไนซ์น้อยกว่า

การเบี่ยงเบนในสนาม

เนื่องจากอนุภาคแอลฟาและเบตามีประจุ พวกมันจึงถูกเบี่ยงเบนโดย สนามไฟฟ้า และ สนามแม่เหล็ก พวกมันโค้งไปในทิศทาง ตรงข้าม เนื่องจากประจุของพวกมันมีเครื่องหมายตรงข้าม และอนุภาคเบตาที่มีน้ำหนักเบาจะโค้งมากกว่า รังสีแกมมาไม่มีประจุ ดังนั้นจึงไม่ถูกเบี่ยงเบนเลย

เมื่อนิวเคลียสสลายตัว จำนวนนิวคลีออนและจำนวนโปรตอนต้องสมดุลทั้งสองฝั่งของสมการ

การสลายตัวแบบอัลฟา — นิวเคลียสสูญเสีย 2 โปรตอนและ 2 นิวตรอน ทำให้ $A$ ลดลง $4$ และ $Z$ ลดลง $2$ กลายเป็น ธาตุใหม่:

ตัวอย่างวิธีทำ. นิวเคลียสเรเดียม $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ สลายตัวปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา จงหาจำนวนนิวคลีออนและจำนวนโปรตอนของนิวเคลียสใหม่

การสลายตัวแบบอัลฟาลด $A$ ลง $4$ และลด $Z$ ลง $2$:

ดังนั้นนิวเคลียสใหม่ (แรดอน) จะมีจำนวนนิวคลีออนเป็น $222$ และมีจำนวนโปรตอนเป็น $86$

การสลายตัวแบบเบตา — ภายในนิวเคลียสนิวตรอนเปลี่ยนสภาพเป็นโปรตอนบวกกับอิเล็กตรอน:

อิเล็กตรอนความเร็วสูงจะหลุดออกมาเป็นอนุภาคเบต้า ดังนั้น $A$ จึงคงเดิมแต่ $Z$ จะเพิ่มขึ้น $1$ ทำให้ได้ธาตุใหม่:

การแผ่รังสีกัมมา — นิวเคลียสสูญเสียพลังงานเพียงอย่างเดียว ทำให้ $A$ และ $Z$ ไม่เปลี่ยนแปลง การสลายตัวแบบอัลฟาและเบตาทำให้นิวเคลียสมีความ เสถียร มากขึ้น โดยมักมีการแผ่รังสีกัมมาออกมาพร้อมกันเพื่อกำจัดพลังงานส่วนเกิน

เนื่องจากกระบวนการสลายตัวเป็นแบบสุ่ม เราไม่สามารถติดตามนิวเคลียสหนึ่งตัวได้ จึงใช้คำอธิบายกลุ่ม ตัวอย่าง ขนาดใหญ่โดยอ้างอิงจากช่วงครึ่งชีวิต

ช่วงครึ่งชีวิต ของไอโซโทปคือระยะเวลาที่ใช้สำหรับนิวเคลียสที่ไม่เสถียรครึ่งหนึ่งของตัวอย่างในการสลายตัว หลังผ่านแต่ละช่วงครึ่งชีวิต อัตราการนับ (หรือจำนวนนิวเคลียสที่ไม่เสถียรที่เหลืออยู่) จะลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง

เช่น หากแหล่งกำเนิดมีอัตราการนับ $800$ ครั้ง/นาที และมีครึ่งชีวิต $3$ ชั่วโมง:

หลังจากผ่านไป $6$ ชั่วโมง (สองช่วงครึ่งชีวิต) อัตราการนับได้ลดลงครึ่งหนึ่งสองครั้ง: เหลือ $800 \to 400 \to 200$ สามารถอ่านค่าช่วงครึ่งชีวิตจากกราฟการสลายตัวได้โดยการหาเวลาที่อัตราการนับลดลงจากค่าใดๆ ไปเป็นครึ่งหนึ่งของค่านั้น หากผลการวัดรวมรังสีพื้นหลังไว้ ให้ลบอัตราการนับพื้นหลังออกจากทุกค่าก่อน แล้วจึงหาค่าช่วงครึ่งชีวิตจากค่าที่ปรับแล้ว

ตัวอย่างวิธีทำ. กิจactivity ของแหล่งกำเนิดลดลงจาก $800$ ครั้ง/นาที เหลือ $100$ ครั้ง/นาที มีช่วงครึ่งชีวิตเป็น $5$ วัน กระบวนการนี้ใช้เวลาไปนานเท่าใด?

นับจำนวนครั้งที่ลดลงครึ่งหนึ่ง: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ คือสามช่วงครึ่งชีวิต ดังนั้นเวลาที่ใช้คือ $3 \times 5 = 15\ \text{days}$

ไอโซโทปที่เลือกใช้สำหรับงานต่างๆ ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสีและครึ่งชีวิต:

• เครื่องตรวจจับควันไฟ ใช้แหล่งกำเนิดรังสีอัลฟา (รังสีอัลฟาถูกกั้นได้ง่าย จึงปลอดภัยภายนอกเครื่องตรวจจับ และครึ่งชีวิตที่ยาวทำให้ใช้งานได้หลายปี);
• การใช้รังสีกับอาหารหรืออุปกรณ์ เพื่อฆ่า แบคทีเรีย และเชื้อโรค — ต้องใช้รังสีแกมมาที่มีพลังทะลุทะลวงสูงเพื่อ ฆ่าเชื้อ ในวัตถุที่บรรจุห่อหุ้ม;
• การวัดและควบคุมความหนาของแผ่นกระดาษหรือโลหะ ใช้แหล่งกำเนิดรังสีเบตา (ปริมาณที่ผ่านไปได้จะเปลี่ยนแปลงตามความหนา);
• สารติดตามทางการแพทย์ คือไอโซโทปที่ปล่อยรังสีแกมมาในปริมาณน้อยๆ ที่มีครึ่งชีวิตสั้น ฉีกลงในร่างกาย: เครื่องตรวจจับภายนอกร่างกายจะติดตามเส้นทางของมัน รังสีแกมมาสามารถออกจากร่างกายได้ง่าย และกิจกรรมทางรังสีจะลดลงสู่ระดับที่ปลอดภัยอย่างรวดเร็ว;
• รังสีแกมมาถูกใช้เพื่อค้นหาและรักษา มะเร็ง ภายในร่างกาย เนื่องจากสามารถทะลุผ่านเข้าหรือออกจากร่างกายได้

*การรักษามะเร็งด้วยรังสี: หน้ากากตาข่ายช่วยยึดผู้ป่วยให้อยู่กับที่ ในขณะที่เลเซอร์จัดตำแหน่งชี้รังสีแกมมาเข้าสู่เนื้องอกได้อย่างแม่นยำเพื่อรักษาโรคมะเร็ง

รังสีไอออนไนซ์ทำลาย เซลล์มีชีวิต อาจทำให้เกิดการตายของเซลล์ การกลายพันธุ์ (การเปลี่ยนแปลงในยีน) และมะเร็ง

เมื่อทำงานกับแหล่งกัมมันตรังสี ให้รักษา ปริมาณรังสีที่รับได้ (ปริมาณรังสีที่ได้รับ) ให้ต่ำโดย:

• ลด ระยะเวลาการสัมผัส — ใช้เวลาคงอยู่ใกล้แหล่งกำเนิดรังสีให้น้อยที่สุด;
• เพิ่มระยะห่างระหว่างตัวคุณกับแหล่งกำเนิดรังสี;
• ใช้ เกราะป้องกัน เช่น ตะกั่ว ระหว่างแหล่งกำเนิดรังสีกับร่างกายของคุณ

แหล่งกัมมันตรังสีควรใช้แหนบจับ (ไม่ใช้มือเปล่า) จัดให้ปลายชี้ไปทางคนและเก็บไว้ในกล่องบุตะกั่ว

• เลขนิวเคลออน (ด้านบน) คือโปรตอน + นิวตรอน; เลขอะตอม (ด้านล่าง) คือโปรตอนเพียงอย่างเดียว จำนวนนิวตรอน = เลขนิวเคลออน − เลขอะตอม
• ไอโซโทป มีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีเลขนิวเคลียนต่างกัน — เป็นธาตุเดียวกันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
• เรียงลำดับรังสีสองแบบ: อัลฟา เป็นไอออนไนซ์มากที่สุดแต่ทะลุผ่านได้น้อยที่สุด (หยุดด้วยกระดาษ); แกมมา เป็นไอออนไนซ์น้อยที่สุดแต่ทะลุผ่านได้มากที่สุด (ต้องใช้ตะกั่วหนา) เบตา อยู่ตรงกลาง (หยุดด้วยอลูมิเนียมบางๆ几条มิลลิเมตร)
• ในทุก สมการการสลายตัว ตัวเลขด้านบนต้องสมดุลและตัวเลขด้านล่างต้องสมดุล การสลายตัวแบบอัลฟา: $A-4$, $Z-2$. การสลายตัวแบบเบตา: $A$ ไม่เปลี่ยนแปลง, $Z+1$
• ต้องลบ อัตราการนับพื้นหลัง ออกก่อนนำค่าอ่านจากแหล่งกำเนิดไปใช้ หลังผ่านไป $n$ ครึ่งอายุ อัตราการนับจะลดลงครึ่งหนึ่ง $n$ ครั้ง — นับจำนวนครั้งที่ลดครึ่งหนึ่งแทนการเดาจากเวลาทั้งหมด