บทที่ 18 ฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค

  ฟิสิกส์นิวเคลียร์

 การค้นพบกัมมันตภาพรังสี

     ปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ในปี ค.ศ. 1896 Henri Becquerel ค้นพบว่า เกลือของแร่ยูเรเนียมมีรังสีประหลาดสามารถทำให้ฟิล์มถ่ายรูปดำได้ทำให้เขาเป็นคนแรกที่ค้นพบกัมมันตภาพรังสี ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งมีมาตั้งแต่ดึกดำบรรพ์

      เบคเคอเรล เป็นคนแรกที่ทำการทดลองเกี่ยวกับการแผ่รังสีเอกซ์จากสารชนิดต่าง ๆ โดยการนำฟิล์มถ่ายรูปห่อสารประกอบยูเรเนียมแล้วใช้กระดาษห่อทับไว้อีกชั้นหนึ่งเพื่อไม่ให้แสงเข้า เมื่อนำชุดการทดลองไปวางไว้กลางแจ้งให้รับความร้อนจากแสงแดด แล้วนำฟิล์มไปล้างพบว่าฟิล์มจะดำทุกครั้งตอนแรกเบคเคอเรลคิดว่าการดำของฟิล์มเกิดจากรังสีเอกซ์ที่แผ่ออกมาจากสารประกอบยูเรเนียม เมื่อถูกความร้อนจากแสงแดด แต่มีครั้งหนึ่งเขาลืมชุดการทดลองไว้ในลิ้นชัก (จึงไม่ถูกแสงเลย) ปรากฏว่าฟิล์มที่ห่อชุดการทดลองดำคล้าย ๆ กับฟิล์มที่ถูกแสง เมื่อทำการทดลองหลาย ๆ ครั้งผลที่ปรากฏเป็นเช่นเดิม และยังพบว่ารอยดำจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมในสารประกอบรังสีที่แผ่ออกมานี้มีสมบัติเหมือนกับรังสีเอกซ์ กล่าวคือ มีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์ และแผ่ออกมาตลอดเวลาโดยไม่จำเป็นต้องมีโฟตอนของแสงภายนอกมาให้พลังงาน ทั้งยังทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออนได้ดีกว่ารังสีเอกซ์ รังสีดังกล่าวได้ชื่อว่า กัมมันตภาพรังสี และธาตุที่แผ่รังสีนี้ออกมาเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี

ภาพโรงงานพลังงานนิวเคลียร์
ที่มา : https://pixabay.com/ , Bru-nO

      มาดามคูรี่ เชื่อว่ารังสีประหลาดมาจากธาตุเคมีในแร่ยูเรเนียม และได้ทำการทดลองค้นคว้าอย่างอดทน จนพบและแยกธาตุนั้นออกได้ แล้วให้ชื่อว่า เรเดียม ซึ่งแปลว่า ธาตุส่องแสง สมบัติที่น่าทึ่งของเรเดียมคือ ความสามารถในการปล่อยพลังงานออกมาในสภาพรังสีได้ตลอดเวลา เมื่อได้ศึกษาการปล่อยรังสีของเรเดียมและยูเรเนียมอย่างละเอียด พบว่าเรเดียมมีน้ำหนักลดไปเล็กน้อยหลังจากทิ้งไว้นาน ๆ

  เลขมวล เลขอะตอมและสัญลักษณ์ของ Nucleus

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

สมมติฐานของ Rutherford และ Soddy เกี่ยวกับการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

1. ธาตุกัมมันตรังสีจะแตกตัวออกเป็นสารใหม่ด้วยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาหรือบีตา, สารใหม่ที่ได้จากการแตกตัวจะเป็นอะตอมของธาตุใหม่ ซึ่งมีสมบัติทางเคมีผิดแผกไปจากอะตอมของธาตุเดิม และในบางครั้งอะตอมของธาตุใหม่จะเป็นธาตุกัมมันตรังสีซึ่งสามารถแยกกัมมันตรังสีต่อ ๆ ไปอีก
2. การสลายตัวที่เกิดขึ้นของธาตุกัมมันตรังสีไม่ขึ้น กับอิทธิพลของสภาพแวดล้อมภายนอกของนิวเคลียสเลย (เช่น ความดัน, อุณหภูมิ) แต่การสลายตัวนี้จะเป็นไปตามหลักของทางสถิติที่เกี่ยวกับโอกาส และกระบวนการสุ่ม และอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนของนิวเคลียสที่พร้อมจะสลายตัว

ตัวอย่างที่ 1 ทำไมฟิล์มที่แบคเคอเรลทิ้งไว้ในห้องทดลอง โดยไม่ถูกแสงแดดเลยจึงปรากฏดำเข้มกว่าฟิล์มที่ได้จากชุดการทดลองที่นำไปวางไว้กลางแดด

แนวคำตอบ เพราะการสลายตัวของรังสี (ซึ่งทำให้ฟิล์มเสีย) ไม่ขึ้นกับความร้อนหรือแสงแดดแต่อยู่ที่เวลาเท่านั้น

ตัวอย่างที่ 2 เบคเคอเรลทราบได้อย่างไรว่ารังสีที่ออกมาจากสารประกอบของยูเรเนียมไม่ใช่รังสีเอกซ์

แนวคำตอบ เพราะรังสีเอกซ์จะหมดไปทันทีถ้าไม่มีไฟฟ้าแรงสูงป้อนเข้าไป

ตัวอย่างที่ 3 เบคเคอเรลค้นพบกัมมันภาพรังสีจากสารประกอบในข้อใด

เฉลย ข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 4 ยูเรเนียม

ชนิดของกัมมันตภาพรังสี

กัมมันตภาพรังสีมี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา (alpha) รังสีบีตา (Beta) และรังสีแกมมา (gamma)

สมบัติของกัมมันตภาพรังสี

      รังสีแอลฟา (alpha)  คือ นิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียมซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค มีมวลประมาณ 4U และมีประจุ +2e โดยเฉลี่ย มีพลังงานประมาณ 4 – 10 MeV เมื่อเคลื่อนที่ผ่านอากาศจะทำให้อากาศที่รังสีผ่านเกิดการแตกตัวเป็นอิออนได้จำนวนมาก (เพราะอนุภาคแอลฟามีขนาดใหญ่และมีประจุมากกว่ารังสีชนิดอื่น จึงเกิดชนและเหนี่ยวนำอะตอมของอากาศให้แตกตัวได้มาก) ทำให้อนุภาครังสีแอลฟามีการสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็วจึงมีอำนาจการทะลุผ่านน้อย (สามารถวิ่งผ่านอากาศไปได้ไกลเป็นระยะทางประมาณ 3-5 เซนติเมตรเท่านั้น) ดังนั้นเพียงกระดาษแผ่นบาง ๆ ก็จะสามารถกั้นรังสีชนิดนี้ไม่ให้ผ่านได้ และจากมวลและประจุของอนุภาคแอลฟา

      รังสีบีตา (Beta) คือ อิเล็กตรอน เป็นอนุภาคมีมวล, มีประจุไฟฟ้าลบ, เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากเกือบเท่าความเร็วแสง, มีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง

1. การสลายตัวให้บีตาบวก (หรือโพซิตรอน (positron)) เกิดจากการที่ proton 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเป็น Neutron 1 ตัว ทำให้ Nucleus ใหม่ที่เกิดมีเลข atom ลดลง 1 แต่เลขมวลคงเดิมพร้อมกับให้โพซิตรอนออกมา


2. การสลายตัวให้บีตาลบ (หรือ electron) เกิดจากการที่ neutron 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเป็น proton 1 ตัว ภายใน Nucleus ทำให้ Nucleus ที่เกิดใหม่มีเลข atom เพิ่มขึ้น
   แต่เลขมวลคงเดิมพร้อมกับให้อิเล็กตรอนออกมา เมื่อเคลื่อนที่ผ่านอากาศจะทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออนได้แต่น้อยกว่ารังสีแอลฟาและสามารถวิ่งฝ่าอากาศได้เป็นระยะทางประมาณ 1-3 เมตร รังสีบีตาจึงต้องใช้กระดาษหนา ๆ หรือแผ่นอะลูมิเนียมบาง ๆ กั้น

ภาพความสามารถในการเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางของรังสี
ที่มา : https://kruannchemistry.wordpress.com/2012/09/26/ธาตุกัมมันตรงสี/

      รังสีแกมมา (Gamma rays) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวช่วงคลื่นสั้นมาก, ความถี่สูง (มากกว่ารังสี X) มีความเร็วเท่ากับแสงในสุญญากาศ, มีอำนาจทะลวงสูง, ไม่มีประจุไฟฟ้า (จึงไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าหรือในสนามแม่เหล็ก) ผ่านคอนกรีตหนา 1/3 เมตร ได้เช่นเดียวกับรังสีเอกซ์ เนื่องจากรังสีแกมมาเป็นรังสีที่ไม่มีมวลและประจุไฟฟ้า จึงทำให้สสารที่รังสีนี้ผ่านเกิดการแตกตัวได้น้อยมาก

การสลายตัวให้รังสีแกมมา (Gamma decay ) รังสีเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานใน Nucleus ถ้า Nucleus อยู่ในระดับพลังงานสูงก่อนที่จะกลับสู่ภาวะพื้นฐาน Nucleus จะต้องคายพลังงานออกในรูปของรังสี Gamma

ธรรมชาติของกัมมันตรังสี

1. ทำปฏิกิริยากับสารเคมีที่ฉาบไว้ที่ฟิล์มถ่ายรูป เช่นเดียวกับแสง
2. ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้นโดยรอบในอากาศเพราะรังสีทำให้อะตอมของอากาศเกิด Ionization
3. ทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้นที่สารบางชนิดได้
4. มีผลทางกายภาพต่อสิ่งมีชีวิต เช่น สามารถฆ่าแบคทีเรียได้
5. จะแผ่รังสีอยู่ตลอดเวลาและตัวเองจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่น ตามเวลาที่เปลี่ยนไป

การตรวจสอบรังสี

1. ใช้ฟิล์มถ่ายรูปซึ่งเรียกว่า Film Badges เป็นกลักสี่เหลี่ยมบรรจุฟิล์มไว้
2. ใช้ Electroscope (ถ้าเป็น Dosimeter จะบอกปริมาณรังสีบนสเกลด้วย)
3. Geiger – Muller Counter

ตัวอย่างที่ 1 จงเลือกข้อความให้เหมาะสมที่สุดกับกัมมันตรังสี แอลฟา, บีตา, แกมมา

1. มีอำนาจทะลุทะลวงสูงสุด ตอบ รังสีแกมมา
2. ถูกดูดกลืน (ผ่านไม่ได้) โดยง่าย โดยแผ่นอะลูมิเนียมบางตอบ รังสีแอลฟา
3. มีความสามารถในการทำให้แก๊สมีการแตกตัวเป็นไอออนได้ดี ตอบ รังสีแอลฟา
4. ต้องใช้วัสดุหนาในการกั้นรังสี ชนิดนั้น ตอบ รังสีแกมมา
5. ไม่สามารถเบี่ยงเบนด้วยสนามไฟฟ้า ตอบ รังสีแกมมา
6. ระหว่าง รังสีแอลฟา กับรังสีบีตา แนวทางเคลื่อนที่โค้ง ซึ่งมีรัศมีความโค้งมาก เมื่อเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก ตอบ รังสีแอลฟา (รังสีมาก แปลว่าเบนน้อย)
7. ระหว่าง รังสีแอลฟา กับรังสีบีตา (ถ้าไม่คิดเครื่องหมาย) อัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้ากับมวล (q/m) มีค่ามากที่สุด ตอบ รังสีบีตา

ตัวอย่างที่ 2 ทำไมเราจึงทราบว่ ารังสี แอลฟา, บีตา, แกมมา มีประจุไฟฟ้าบวก, ลบ และเป็นกลาง

ตอบ ดูจากการเบนของรังสีในสนามแม่เหล็ก โดยรังสีแกมมาจะไม่เบนในสนามแม่เหล็กจึงไม่มีประจุไฟฟ้า รังแอลฟาจะเบนในสนามแม่เหล็กเหมือนประจุบวกทั่วไป และรังสีบีตาจะเบนในสนามแม่เหล็กแต่มีทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟาจึงเป็นประจุไฟฟ้าลบ และรังสีบีตาจะเบนมากที่สุด รัศมีความโค้งสั้น

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

      ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบที่นิวเคลียส โดยทั่วไปปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดจากการยิงอนุภาคต่าง ๆ เช่น นิวตรอน, โปรตอน, ดิวเทอรอน, แอลฟา ที่ถูกเร่งให้มีความเร็วสูง ชนเป้าซึ่งเป็นนิวเคลียสของธาตุ ทำให้เปลี่ยนองค์ประกอบของนิวเคลียสเดิม หรือเกิดนิวเคลียสของธาตุใหม่ขึ้น เช่น ยิงดิวเทอรอนไปที่ C – 12

¹²₆C + ²₁H -----> ¹³₇N + ¹₀n

ปฏิกิริยานี้

อนุภาคที่วิ่งเข้าชน คือ ²₁H

นิวเคลียสที่เป็นเป้า คือ ¹²₆C

นิวเคลียสของธาตุใหม่ คือ ¹³₇N

อนุภาคที่เกิดขึ้นมา คือ ¹₀n

จึงเขียนเป็นสมการได้ว่า x + a ---> y + b หรือเขียนย่อ ๆ ว่า x(a, b)y และเรียกชื่อปฏิกิริยานี้ว่า (a, b) ของนิวเคลียส x ดังนั้น สมการตอนแรก ย่อมเรียก ชื่อปฏิกิริยาว่า (d, n) ของนิวเคลียส 126C

การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ ต้องเป็นไปตามหลักดังนี้

1. หลักการคงที่ของจำนวนนิวคลีออน คือ ผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน
2. หลักการคงที่ของประจุไฟฟ้า
3. หลักการคงที่ของมวลและพลังงาน คือ ผลรวมของมวลและพลังงานก่อนปฏิกิริยากับหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน
4. หลักการคงที่ของโมเมนตัมเชิงเส้น

ไอโซโทปของไฮโดรเจนมี 3 ชนิด ได้แก่

1. ไฮโดรเจนธรรมดามีอยู่ 99.985 % ในธรรมชาติ มีมวล 1.0078 u
2. ดิวทีเรียม (Deuterium) มีอยู่ 0.015% ในธรรมชาติ มีมวล 2.0141 u
3. ทริเตียม (Tritium) ส่วนใหญ่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีมวล 3.0160 u

เพื่อความสะดวกในการเรียก นักวิทยาศาสตร์ นิยามต่อไปนี้

1. ใช้สัญลักษณ์ A แทนจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส เรียกว่า mass number


2. ใช้สัญลักษณ์ Z แทนจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม ดังนั้น Z คือ atomic number


3. ให้ n แทน จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส


4. ทั้งโปรตอนและนิวตรอนเรียกรวม ๆ กันว่า นิวคลีออน (nucleon)


5. นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนปกติ เรียกว่า โปรตอน (p)


6. นิวเคลียสของดิวทีเรียม เรียกว่า ดิวเทอรอน (deuteron, d)


7. นิวเคลียสของทริเตียม เรียกว่า ทริตอน (triton, t)


8. สัญลักษณ์ที่ใช้แทนนิวไคลด์ คือ ᴬ𝓏X ที่ควรทราบได้แก่

ตัวอย่างที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างเลขมวลอะตอม Z และเลขมวล A เมื่อจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเท่ากับ N คือข้อใด

1. A = Z + N 2. A = Z – N


2. A = N/Z 4. A = N – Z

เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1 เพราะเลขมวล = จำนวน P + จำนวน n

A = Z + N

ตัวอย่างที่ 2 จงพิจารณาอะตอมของ ²¹⁰₈₄Po ข้อใดถูกต้อง

1. มีจำนวนนิวคลีออน = 210 จำนวนนิวตรอน = 84


2. มีจำนวนอิเล็กตรอน = 84 จำนวนนิวตรอน = 126


3. มีจำนวนอิเล็กตรอน = 126 จำนวนโปรตรอน =84


4. มีจำนวนนิวคลีออน =210 จำนวนอิเล็กตรอน = 126

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 2 ²¹⁰₈₄Po แสดงว่า เลขอะตอมเป็น 84 มีจำนวนโปรตอน 84 ตัว (มีจำนวนอิเล็กตรอน 84 ตัว ในอะตอมที่เป็นกลาง) และมีนิวตรอน

เวลาครึ่งชีวิต

เวลาครึ่งชีวิต คือเวลาที่สารนั้นใช้ในการสลายตัวไปจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม สมมติสารกัมมันตรังสีอย่างหนึ่ง มีมวล No กิโลกรัม มีมวลครึ่งชีวิต = t ชั่วโมง หมายความว่า

จะได้ N = N₀ /2ⁿ

หมายเหตุ ถ้าเวลาครึ่งชีวิตเป็น T ชั่วโมง

กฎการสลายตัว

    การสลายตัว คือ การที่นิวเคลียสของสารอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น จะปล่อยอนุภาคออกมาแล้วเปลี่ยนเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่

    กัมมันตภาพ (Activity) คือ อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี

      ค.ศ. 1902 รัทเทอร์ฟอร์ดและซอดดี (Soddy) ได้ตั้งกฎการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีว่า การสลายตัวของนิวเคลียสนั้น ไม่สามารถบอกได้ว่านิวเคลียสตัวใดจะสลายตัวเมื่อใด บอกได้เพียงความน่าจะเป็น (Probability) ของการสลายตัวของนิวเคลียสเท่านั้น

      อย่างไรก็ตาม พบว่า การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี จะเป็นไปตามหลักสถิติของโอกาสและกระบวนการสุ่ม คือ ในขณะที่จำนวนนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสีนั้นมีอยู่มากนิวเคลียสที่สลายตัวจะมีจำนวนมากและเมื่อจำนวนนิวเคลียสมีอยู่น้อย นิวเคลียสที่สลายตัวก็จะมีจำนวนน้อย นิวเคลียสจะไม่ได้สลายตัวพร้อมกันหมด แต่ทุก ๆ นิวเคลียสจะมีโอกาสในการสลายตัวเท่า ๆ กัน

ดังนั้นที่เวลาหนึ่ง ๆ อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรัง จะแปรผันโดยตรงกับจำนวนของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสีชนิดนั้นที่มีอยู่ในขณะนั้น

      ถ้าให้ที่เวลา t ใด ๆ มีจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีอยู่จำนวน N นิวเคลียส (อะตอม) เมื่อเวลาผ่านไปช่วงเวลาสั้น ๆ เป็น Δt มีนิวเคลียสสลายตัวไปเป็นจำนวน ΔN (ในช่วงเวลา Δt นั้น) อัตราการสลายตัว คือ จำนวนนิวเคลียสที่สลาย (ΔN) ต่อเวลาที่ใช้ (Δt) จะแปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียส (N) ขณะนั้น

      เมื่อ λ คือ ค่าคงตัวของการสลายตัวของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสี (ซึ่งจะขึ้นกับชนิดของธาตุกัมมันตรังสีหนึ่ง ๆ) เรียกว่า ค่าคงตัวการสลายตัว (decay constant หน่วยเป็นต่อวินาที หรือ s⁻¹ ) ส่วนเครื่องหมายลบ ในสมการแสดงถึงการสลายตัวที่เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบลดจำนวนลงของนิวเคลียส

      นักวิทยาศาสตร์ พบว่า มีช่วงเวลาอันหนึ่ง เป็นช่วงเวลาที่คงที่สำหรับการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี คือ เวลาที่จะทำให้ธาตุกัมมันรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งต้น (คือ เป็นเวลาที่จะทำให้ m = m₀ /2) ช่วงเวลาดังกล่าวนี้จะเรียกว่า เวลาครึ่งชีวิต Half life ใช้สัญลักษณ์เป็น (T₁/₂) กล่าวคือ เมื่อเวลาผ่านไปเท่ากับเวลาครึ่งชีวิต (t = T₁/₂ ) จะทำให้ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งต้น (m = m₀ /2) และเวลาครึ่งชีวิตจะสัมพันธ์กับค่าคงที่การสลายตัวตามสูตร T₁/₂ = 0.693/ λ

      และเนื่องจากค่าคงตัวการสลายเป็นค่าคงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ ดังนั้น ช่วงเวลาครึ่งชีวิต (T₁/₂) จึงต้องเป็นค่าที่คงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ ด้วย กล่าวคือ ไม่ว่าจำนวนธาตุกัมมันตรังสีเริ่มต้นจะเป็นเท่าไรช่วงเวลาที่จะสลายจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้นนั้นจะเท่ากันเสมอ เช่น ถ้ามีกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งเริ่มต้นมีอยู่ 200 หน่วย สลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่ง คือ 100 หน่วย จะใช้เวลาเท่ากันกับ การสลายตัวจาก 100 หน่วยไปจนเหลือครึ่งคือ 50 หน่วย และจะใช้เวลาเท่ากันกับการสลายตัวจาก 50 หน่วยไปจนเหลือครึ่ง คือ 25 หน่วย (ช่วงเวลาดังกล่าวจึงเรียกว่า เวลาครึ่งชีวิต)

ตัวอย่างที่ 1 ข้อใดต่อไปนี้คือความหมายของค่าสลายตัวคงที่

เฉลย คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 2 เพราะ ค่าสลายตัวคงที่ คือโอกาสที่ 1 นิวเคลียสจะแผ่รังสีได้ใน 1 หน่วยเวลา

ตัวอย่างที่ 2 ละอองกัมมันตรังสีที่ปนเปื้อนมากับนมผงลอยลมจากรัสเชีย ทำให้ประเทศยุโรปผลิตนมเปื้อนสารรังสีส่งมาขายยังประเทศไทย สารกัมมันตรังสีที่ปนเปื้อนมีหลายชนิด สมมติว่าทุกชนิดมีปริมาณของละอองใกล้เคียงกันสารที่มีครึ่งชีวิตเท่าใดที่จะเป็นปัญหามากที่สุด (นมผงที่มีรังสีปนเปื้อนมาถึงไทยใช้เวลา ประมาณ 4 เดือน)

เฉลย คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 3 เพราะ ข้อ 2, 4 สลายหมดเร็ว อันตรายน้อย (เพราะสลายไปมาก ก่อนถึงประเทศไทย)

พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

      เมื่อเราให้พลังงานที่พอเหมาะแก่นิวเคลียส จะสามารถทำให้นิวคลีออนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสนั้นแยกตัวออกจากกันเป็นอนุภาคเดี่ยว ๆ เมื่ออนุภาคโปรตอน และนิวตรอน (ซึ่งเป็นนิวคลีออน) เกิดการรวมตัวกันขึ้นเป็นนิวเคลียสของอะตอมก็จะเกิดการคายพลังงานส่วนหนึ่งออกมา พลังงานที่ทำให้นิวเคลียสแยกตัวออกและพลังงานที่คายออกมาเมื่อนิวคลีออนรวมตัวเป็นนิวเคลียสจะมีค่าเท่ากัน ค่าพลังงานนี้เรียกว่า พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding energy, BE.)

      จะพบว่าจากการที่ได้ศึกษาพลังงานยึดเหนี่ยวจะทำให้เราทราบว่าพลังงานยึดเหนี่ยวเกิดขึ้นได้อย่างไร ก็พบว่าเมื่อเปรียบเทียบมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมตัวกันเพื่อเกิดเป็นนิวเคลียส กับมวลของนิวเคลียสที่เกิดจากการรวมตัวนั้น มีค่าไม่เท่ากัน กล่าวคือ มวลของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมกันจะมีค่ามากกว่ามวลของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวนั้นเสมอ แสดงว่าการรวมกันของนิวคลีออนเพื่อเกิดเป็นนิวเคลียสจะมีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลที่หายไปนี้เรียกว่า มวลพร่อง (mass defect ใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น Δm) ซึ่งมวลที่หายไปนี้ไอน์สไตน์อธิบายว่าจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาที่ว่า E = mc² และพลังงานที่ได้นี้ก็คือพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสนั่นเอง

      พิจาณานิวเคลียสธาตุ ᴬ𝓏X ที่มีเลขมวล A เลขอะตอม Z นิวเคลียสนี้ประกอบด้วยโปรตอน Z ตัว และนิวตรอนจำนวน (A – Z) ตัว เขียนเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของโปรตอน และนิวนิวตรอนเกิดเป็นนิวเคลียส X คือ

Z(¹₁H) + (A –Z) ¹₀n ---> ᴬ𝓏X

      ถ้าให้โปรตอนมีมวล mₚ ให้นิวตรอนมีมวล mₙ และนิวเคลียสธาตุ X มีมวล mₓ มวลพร่องหรือมวลที่หายไปในการรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเพื่อเป็นนิวเคลียส X จะเท่ากับมวลรวมของโปรตอนกับนิวตรอน ลบด้วยมวลนิวเคลียส เขียนเป็นสมการ คือ

Δm = (Z(mₚ) + (A – Z) mₙ) - mₓ

มวลพร่อง ที่เกิดขึ้นจะกลายเป็นพลังงานที่คายออกมา ซึ่งจะเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว (BE.) ของนิวเคลียสตามสมการ

BE. = (Δm)c² เมื่อ c คือความเร็วแสง = 3 x 10⁸ m/s

หมายเหตุ

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มวลและพลังงานสามารถจะเปลี่ยนรูปกันได้ตามความสัมพันธ์

E = mc² เมื่อ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ

นั่นคือ ถ้ามีมวล m = 1 กิโลกรัม หายไปจะกลายเป็นพลังงานที่มีค่า

E = (1)(3 x 10⁸)² = 9 x 10¹⁶ จูล

ในทำนองกลับกัน พลังงานจำนวน 9 x 10¹⁶ จูล ถ้าหายไปก็จะกลายเป็นมวลขนาด 1 กิโลกรัม

แต่ในระดับของอะตอม มวลที่หายไปจะน้อยมากมีหน่วยเป็น u (unified atomic mass unit) จึงอาจคิดค่าพลังงานเทียบกับมวลในหน่วยของ u คือ สำหรับมวล 1 u = 1.6605 x 10⁻²⁷ กิโลกรัม เมื่อเปลี่ยนกลายเป็นพลังงานจะเทียบเท่ากับพลังงาน

เมื่อเปลี่ยนเป็นหน่วย eV; E = (1.4923 x 10⁻¹⁰)/(1.6022 x 10⁻¹⁹)

ดังนั้น มวล 1 u จะเทียบเท่ากับพลังงานประมาณ 931 MeV

ดังนั้นถ้ามีมวล (Δm) u หายไปจะกลายเป็นพลังงานตามความสัมพันธ์

สิ่งที่ควรรู้

      ค่ามวลที่นำมาคำนวณค่าพลังงานยึดเหนี่ยวนั้น (Δm)จะต้องเป็นมวลของนิวเคลียสจริง ๆ (คือมวลอะตอมลบด้วยมวลอิเล็กตรอนในอะตอมนั้น) แต่ในทางปฏิบัติเราสามารถใช้มวลอะตอมมาคำนวณได้เลย เพราะในการรวมตัวนั้นทั้งสองข้างสมการจะต้องมีประจุเท่ากันคือมวลอะตอมทั้งสองข้างจะถูกลบด้วยอิเล็กตรอนในจำนวนที่เท่ากัน ทำให้การนำมวลอะตอมมาคำนวณจึงไม่ต่างกับการนำมวลนิวเคลียสมาคำนวณ

      จากการคำนวณค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสธาตุต่าง ๆ พบว่า ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวจะแปรผันตรงกับจำนวนนิวคลีออนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงว่านิวคลีออนที่เพิ่มขึ้นจะไม่ทำให้ความสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนเดิมเปลี่ยนแปลง ทำให้ได้ข้อสรุปว่า แรงนิวเคลียร์ซึ่งเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียสนั้น จะเป็นแรงที่กระทำเฉพาะนิวคลีออนที่ติดกันเท่านั้น (คือเป็นแรงในช่วงสั้น ๆ พ้นจากระยะนี้แล้วอำนาจดึงดูดของแรงจะหมดไป) ดังนั้นการจะพิจารณาว่านิวเคลียสใดมีเสถียรภาพมากกว่ากัน (นิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากคือ นิวคลีออนของนิวเคลียสหลุดออกไปได้ยาก หรือต้องใช้พลังงานสูงในการแยกนิวคลีออน) จึงต้องพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนของนิวเคลียสนั้น นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่าก็จะมีเสถียรภาพมากกว่า (แตกตัวได้ยากกว่า)

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน (BE./nucleon) = (พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส)/(จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส)

สรุปพลังงานยึดเหนี่ยว(Binding Energy)

การที่โปรตอนและนิวตรอนสามารถอยู่กันได้ในนิวเคลียส เพราะมีพลังงานยึดเหนี่ยว

1. มวลของนิวเคลียสน้อยกว่า ผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอน (ในสภาพอิสระ) ที่ประกอบเป็นนิวเคลียสเสมอ


2. มวลส่วนที่หายไป เรียกว่า มวลพร่อง (mass defect)


3. เทียบมวลเป็นพลังงานได้จาก E = mc²

ตัวอย่างที่ 1 ข้อใดถูกต้อง ถ้าพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียสเมื่อเทียบกับ Ionization Energy ของอะตอม

1. น้อยกว่า


2. เท่ากัน


3. มากกว่า


4. อาจจะมากกว่าหรือน้อยกว่าก็ได้

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 3 BE. ในนิวเคลียสมีค่าในหน่วย MeV เพราะประจุอยู่ใกล้กันมาก ต้องใช้พลังงานยึดเหนี่ยวมาก ส่วน Ionization Energy มีค่าในหน่วย eV เท่านั้น

ตัวอย่างที่ 2 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้

1. ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนนิวคลีออนเพิ่มขึ้น


2. นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงมีเสถียรภาพดีกว่ามีพลังงานยึดเหนี่ยวรวมสูง


3. ข้อ A และ B ถูก และ B เป็นเหตุผลของ A


4. ข้อ A และ B ถูก และ B ไม่เป็นเหตุผลของ A


5. ข้อ A ถูก ข้อ B ผิด


6. ข้อ A ผิด ข้อ B ถูก

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 3 ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนนิวคลีออนเพิ่มขึ้น

ปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน

      ในที่นี้จะขอกล่าวถึงปฏิกิริยาของนิวเคลียส (Nuclear Reaction) ก่อน ซึ่งปฏิกิริยาของนิวเคลียส ส่วนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา โปรตอนและนิวตรอนเข้าไปชน Nucleus ทำให้ Nucleus แตกออก ปฏิกิริยาของนิวเคลียส มีส่วนสำคัญ คือ

1. ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดใน Nucleus ต่างจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับ electron ภายในอะตอมเท่านั้น


2. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง Nucleus


3. แรงจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นแรงแบบใหม่เรียกว่า แรง Nuclear ซึ่งมีอัตรกิริยาสูง และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของ Nucleus เท่านั้น


4. ในปฏิกิริยานิวเคลียร์เราสามารถนำกฎต่าง ๆ มาใช้ได้เป็นอย่างดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน กฎทรงมวล และการคงที่ของประจุไฟฟ้า

      จากการศึกษาเรื่องของพลังงานนิวเคลียร์ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ เราสามารถสรุปได้ว่าถ้าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสก่อนเกิดปฏิกิริยามีค่าน้อยกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส หลังเกิดปฏิกิริยา ปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นจะเป็นปฏิกิริยาที่คายพลังงานให้แก่สิ่งแวดล้อม เมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ของพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนกับเลขมวลนิวเคลียสธาตุต่าง ๆ ในธรรมชาติ จะแบ่งกลุ่มออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือนิวเคลียสขนาดเล็ก เลขมวล 1 ถึง 50) นิวเคลียสขนาดกลาง(เลขมวล 51 ถึง 150) และ นิวเคลียสขนาดใหญ่ (เลขมวลมากกว่า 150 ขึ้นไป) นิวเคลียสขนาดกลางจะมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมากกว่านิวเคลียสขนาดใหญ่ และนิวเคลียสขนาดเล็ก ดังนั้นธาตุในธรรมชาติจะสามารถนำมาทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แล้วคายพลังงานออกมาให้เราได้ 2 แบบ คือ

1. ทำให้นิวเคลียสขนาดใหญ่ เช่น U – 235 แตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดกลาง 2 นิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน (fission)


2. ทำให้นิวเคลียสขนาดเล็ก เช่น ไฮโดรเจน หรือดิวเทอเรียมรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้น เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน (fusion)

      ซึ่งปฏิกิริยาทั้ง 2 แบบข้างต้นจะเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน เพราะเป็นการเปลี่ยนนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวน้อยไปเป็นนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวมาก

หมายเหตุ

      การทำให้นิวเคลียสขนาดกลางแตกตัวเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กจะไม่เรียกว่าฟิชชัน หรือการทำให้นิวเคลียสขนาดกลางรวมตัวเป็นนิวเคลียสขนาดใหญ่ก็จะไม่เรียกว่า ฟิวชัน เพราะ เป็นปฏิริยาที่ดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อม

ปฏิกิริยาฟิชชัน

      ในปี พ.ศ. 2477 เฟอร์มิ นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้พบว่า เมื่อยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของยูเรเนียมจะทำให้ยูเรเนียมแตกตัวออกเป็น 2 นิวเคลียสที่มีเลขมวลใกล้เคียงกัน พร้อมกับปลดปล่อยพลังงานออกมาประมาณ 200 MeV ต่อหนึ่งปฏิกิริยา เราเรียกปฏิกิริยาที่มีนิวตรอนพุ่งชนนิวเคลียสของยูเรเนียม แล้วทำให้นิวเคลียสของยูเรเนียมแตกตัวเป็น 2 นิวเคลียสขนาดกลางนี้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน

สิ่งที่ควรรู้

นิวตรอนที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน จะต้องมีพลังงานที่เหมาะสม ในกรณีฟิชชันของ U – 235 นี้ นิวตรอนต้องมีพลังงานต่ำประมาณ 1 eV. หรือน้อยกว่า

ภาพการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันบริเวณใจกลางดวงอาทิตย์
ที่มา : http://nso.narit.or.th/index.php/2017-11-25-10-50-19/2017-12-07-06-19-35/nuclear-physics/167-nuclear-fusion

      ในการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละปฏิกิริยาจะได้พลังงานประมาณ 200 MeV. พลังงานนี้แม้จะมีค่ามากสำหรับอะตอมหรืออนุภาคเล็ก ๆ แต่สำหรับในชีวิตประจำวันพลังงานนี้ถือว่าน้อยมาก (200 MeV = 3.2 x 10-11 จูล) การจะใช้พลังงานจากปฏิกิริยาฟิชชันจึงต้องทำให้เกิดฟิชชันเป็นจำนวน มาก ๆ ในเวลาเดียวกัน ซึ่งก็ต้องใช้จำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนมากด้วย (การจะทำให้เกิดฟิชชันได้ต้องยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสเป้าหมาย) และจากฟิชชันของ U – 235 จะสามารถให้นิวตรอนเกิดขึ้นอีก 2-3 ตัว ดังนั้นถ้ายิงนิวตรอนตัวแรกไปยังนิวเคลียสของ U – 235 เมื่อเกิดฟิชชันจะเกิดนิวตรอนขึ้น 2-3 ตัว นิวตรอนเหล่านี้จะถูกทำให้พลังงานลดลงจนเหมาะสม แล้ววิ่งชนนิวเคลียสของ U – 235 ข้างเคียง ทำให้เกิดฟิชชันต่อไป ทำให้เกิดนิวตรอนเพิ่มขึ้นอีก ซึ่งจะวิ่งชนนิวเคียสของ U – 235 ข้างเคียงต่อไป ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันอย่างต่อเนื่อง และมีจำนวนปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เรียกว่า เกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) ทำให้ได้พลังงานจำนวนมหาศาลในเวลาสั้น ๆ อย่างไรก็ตามในการเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน นิวเคลียสขนาดกลางที่ได้ส่วนใหญ่เป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี ซึ่งจะสลายตัวและแผ่รังออกมาก่อให้เกิดอันตรายได้จึงต้องมีการควบคุมและเก็บรักษาไว้อย่างดี

ปฏิกิริยาฟิวชัน

      เป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของธาตุเบา คือ ไฮโดรเจน ทำให้เกิดเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้น ปฏิกิริยาการรวมตัวแบบฟิวชันของไฮโดรเจนนี้จะเกิดได้ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก (มากกว่าล้านองศาเซลเซียส) เพราะนิวเคลียสเป็นประจุบวกจะผลักกันไม่สามารถมารวมกันได้ง่าย ๆ การจะให้นิวเคลียสรวมกันได้ต้องทำให้นิวเคลียสมาอยู่ใกล้ ๆ เป็นระยะน้อยกว่า 10-15 เมตร เพื่อให้เกิดแรงนิวเคลียร์ยึดอนุภาคของนิวเคลียสเข้าไว้ด้วยกัน และเชื่อกันว่าดาวฤกษ์และดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานจำนวนมหาศาลด้วยวิธีการแบบนี้ และในห้องปฏิบัติการบนโลกมนุษย์ ปฏิกิริยาฟิวชันที่ทำได้คือ การรวมตัวของดิวเทอเรียมไปเป็นฮีเลียม

      จากความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน ซึ่งเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สามารถให้พลังานจำนวนมากเมื่อเทียบกับมวลของเชื้อเพลิง ปัจจุบันมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ใน 2 รูปแบบ คือ ทำเป็นระเบิดนิวเคลียร์ ซึ่งจะมีอำนาจในการทำลายอย่างมหาศาล (สามารถทำได้ทั้งแบบฟิชชันและฟิวชัน) และทำเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่จะควบคุมพลังงานนิวเคลียร์ให้เกิดขึ้นในขนาดที่พอเหมาะอย่างต่อเนื่อง (ปัจจุบันสามารถทำได้เฉพาะแบบฟิชชันเพราะแบบฟิวชันต้องใช้อุณหภูมิสูงมากในการควบคุมซึ่งยังควบคุมไม่ได้) มีการนำไปใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ขับเคลื่อนเรือดำน้ำหรือเรือเดินสมุทรทดแทนการใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ

ฟิสิกส์อนุภาค

      ฟิสิกส์ของอนุภาค (หรือเรียกว่าฟิสิกส์พลังงานสูง ) เป็นสาขาของฟิสิกส์ว่าการศึกษาธรรมชาติของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นเรื่องและการฉายรังสี แม้ว่าคำว่าอนุภาคสามารถหมายถึงวัตถุขนาดเล็กมากหลายประเภท (เช่นโปรตอนอนุภาคของก๊าซหรือแม้แต่ฝุ่นในครัวเรือน) ฟิสิกส์ของอนุภาคมักจะตรวจสอบอนุภาคที่เล็กที่สุดที่ตรวจพบไม่ได้และปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่จำเป็นในการอธิบายพฤติกรรมของพวกมัน

      ในความเข้าใจปัจจุบันอนุภาคมูลฐานเหล่านี้เป็นสิ่งกระตุ้นของสนามควอนตัมที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ของพวกมันด้วย ทฤษฎีที่โดดเด่นในปัจจุบันอธิบายอนุภาคพื้นฐานเหล่านี้และสาขาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของพวกเขาจะเรียกว่ารุ่นมาตรฐาน ดังนั้นฟิสิกส์ของอนุภาคที่ทันสมัยโดยทั่วไปสำรวจรุ่นมาตรฐานและส่วนขยายที่เป็นไปได้ต่าง ๆ เช่นไปที่ใหม่ล่าสุด "รู้จักกันดี" อนุภาคโบซอนฮิกส์หรือแม้กระทั่งสนามพลังที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักกันแรงโน้มถ่วง

อนุภาค

      การวิจัยอนุภาคฟิสิกส์สมัยใหม่มุ่งเน้นไปที่อนุภาครวมทั้งประชาชนในเขตเลือกตั้งของอะตอมเช่นอิเล็กตรอน , โปรตอนและนิวตรอน (โปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคคอมโพสิตเรียกว่าbaryonsทำจากควาร์ก ) ที่ผลิตโดยกัมมันตรังสีและการกระเจิงกระบวนการเช่นโฟตอน , นิวตริโนและมิวออนเช่นเดียวกับความหลากหลายของอนุภาคที่แปลกใหม่

      การเปลี่ยนแปลงของอนุภาคยังถูกควบคุมโดยกลศาสตร์ควอนตัม ; พวกมันแสดงความเป็นคู่ของคลื่น - อนุภาคโดยแสดงพฤติกรรมคล้ายอนุภาคภายใต้เงื่อนไขการทดลองบางอย่างและพฤติกรรมที่เหมือนคลื่นในสิ่งอื่น ๆ ในแง่เทคนิคเพิ่มเติมพวกเขาอธิบายโดยเวกเตอร์สถานะควอนตัมในอวกาศฮิลเบิร์ตซึ่งได้รับการปฏิบัติในทฤษฎีสนามควอนตัมเช่นกัน ตามแบบแผนของนักฟิสิกส์อนุภาคคำว่าอนุภาคมูลฐานถูกนำไปใช้กับอนุภาคเหล่านั้นซึ่งตามความเข้าใจในปัจจุบันสันนิษฐานว่าไม่สามารถแบ่งแยกได้และไม่ประกอบด้วยอนุภาคอื่น ๆ

      อนุภาคทั้งหมดและการมีปฏิสัมพันธ์ของพวกเขาตั้งข้อสังเกตถึงวันที่สามารถอธิบายได้เกือบทั้งหมดโดยทฤษฎีสนามควอนตัมที่เรียกว่ารุ่นมาตรฐาน แบบจำลองมาตรฐานตามสูตรปัจจุบันมีอนุภาคมูลฐาน 61 อนุภาค อนุภาคมูลฐานเหล่านี้สามารถรวมตัวกันเป็นอนุภาคคอมโพสิตซึ่งมีจำนวนอนุภาคอื่น ๆ อีก

เนื้อหาอนุภาคของ รุ่นมาตรฐานของ ฟิสิกส์

	ประเภท	รุ่น	แอนตี้พอร์ติเคิล	สี	รวม
คาร์ก	2	3	คู่	3	36
เลปตัน	2	3	คู๋	ไม่มี	12
กลูออน	1	ไม่มี	เป็นเจ้าของ	8	8
โฟตอน	1	ไม่มี	เป็นเจ้าของ	ไม่มี	1
Z Boson	1	ไม่มี	เป็นเจ้าของ	ไม่มี	1
W Boson	1	ไม่มี	คู่	ไม่มี	2
ฮิกส์	1	ไม่มี	เป็นเจ้าของ	ไม่มี	1
จำนวนอนุภาคมูลฐาน (ที่รู้จัก) ทั้งหมด:					61

อนุภาคมูลฐาน

      ตามสูตรปัจจุบันมีอนุภาคมูลฐาน 61 อนุภาค อนุภาคมูลฐานเหล่านี้สามารถรวมตัวกันเป็นอนุภาคคอมโพสิตซึ่งมีจำนวนอนุภาคอื่น ๆ อีกหลายร้อยชนิดที่ถูกค้นพบตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960

      พบว่าแบบจำลองมาตรฐานเห็นด้วยกับการทดสอบทดลองเกือบทั้งหมดที่ดำเนินการจนถึงปัจจุบัน อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์อนุภาคส่วนใหญ่เชื่อว่าเป็นคำอธิบายที่ไม่สมบูรณ์เกี่ยวกับธรรมชาติและทฤษฎีพื้นฐานที่รอการค้นพบ (ดูTheory of Everything ) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาการวัดมวลนิวตริโน ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนการทดลองครั้งแรกจากแบบจำลองมาตรฐานเนื่องจากนิวตริโนไม่มีมวลในแบบจำลองมาตรฐาน

ประวัติศาสตร์

      แนวคิดที่ว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานตั้งแต่อย่างน้อยศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสต์ศักราช ในศตวรรษที่ 19 จอห์นดาลตันจากผลงานของเขาเกี่ยวกับสโตอิจิเมตริกสรุปได้ว่าแต่ละองค์ประกอบของธรรมชาติประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวที่ไม่ซ้ำกัน คำว่าอะตอมตามหลังคำภาษากรีกatomosซึ่งมีความหมายว่า "แบ่งแยกไม่ได้" นับ แต่นั้นมาก็หมายถึงอนุภาคที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีแต่ในไม่ช้านักฟิสิกส์ก็ค้นพบว่าอะตอมไม่ได้เป็นอนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติ แต่เป็นกลุ่มก้อน ของอนุภาคแม้มีขนาดเล็กเช่นอิเล็กตรอน การสำรวจฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์ควอนตัมในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นำไปสู่การพิสูจน์นิวเคลียร์ฟิชชันในปีพ. ศ. 2482 โดยLise Meitner (จากการทดลองของOtto Hahn ) และการหลอมนิวเคลียร์โดยHans Betheในปีเดียวกันนั้น ทั้งการค้นพบนี้ยังนำไปสู่การพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ ตลอดช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 พบอนุภาคหลากหลายชนิดที่ทำให้สับสนในการชนกันของอนุภาคจากลำแสงที่มีพลังงานสูงมากขึ้นเรื่อย ๆ มันถูกเรียกอย่างไม่เป็นทางการว่า " สวนสัตว์อนุภาค " ค้นพบที่สำคัญเช่นการละเมิด CPโดยเชนชิงวูนำคำถามใหม่เพื่อเรื่องความไม่สมดุลของปฏิสสาร คำว่าสวนสัตว์อนุภาคได้รับการแก้ไข[ ต้องการอ้างอิง ]หลังจากการกำหนดแบบจำลองมาตรฐานในช่วงปี 1970 ซึ่งมีการอธิบายอนุภาคจำนวนมากว่าเป็นการรวมกันของอนุภาคพื้นฐานจำนวนมาก (ค่อนข้างน้อย) ซึ่งเป็นเครื่องหมายของ จุดเริ่มต้นของฟิสิกส์อนุภาคสมัยใหม่

รุ่นมาตรฐาน

      สถานะปัจจุบันของการจำแนกประเภทของอนุภาคมูลฐานทั้งหมดจะมีการอธิบายโดยรุ่นมาตรฐานซึ่งได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในปี 1970 ในช่วงกลางหลังจากที่ยืนยันการทดลองของการดำรงอยู่ของควาร์ก มันอธิบายที่แข็งแกร่ง , อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า พื้นฐานการสื่อสารโดยใช้ไกล่เกลี่ยวัด bosons สายพันธุ์ของเกจโบซอนคือแปดกลูออนว-, ว+ และ Zbosonsและโฟตอน รุ่นมาตรฐานนอกจากนี้ยังมี 24 พื้นฐาน เฟอร์มิออน (12 อนุภาคและที่เกี่ยวข้องป้องกันอนุภาคของพวกเขา) ซึ่งเป็นส่วนประกอบของทุกเรื่อง สุดท้ายรุ่นมาตรฐานยังทำนายการดำรงอยู่ของประเภทของที่boson ที่รู้จักในฐานะBoson ฮิกส์ เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2555 นักฟิสิกส์ของ Large Hadron Collider ที่ CERN ได้ประกาศว่าพวกเขาพบอนุภาคใหม่ที่มีลักษณะคล้ายกับสิ่งที่คาดหวังจากฮิกส์โบซอน

ห้องปฏิบัติการทดลอง

• Brookhaven National Laboratory ( ลองไอส์แลนด์ , สหรัฐอเมริกา ) สิ่งอำนวยความสะดวกหลักคือเครื่องบดไอออนแบบ Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ซึ่งชนไอออนหนักเช่นไอออนทองและโปรตอนโพลาไรซ์ มันเป็นเครื่องชนกันไอออนหนักตัวแรกของโลกและเป็นคอลไลเดอร์โปรตอนโพลาไรซ์ตัวเดียวของโลก
• Budker Institute of Nuclear Physics ( Novosibirsk , Russia ) โครงการหลักคือตอนนี้อิเล็กตรอนโพซิตรอนcolliders VEPP-2000 , ดำเนินการมาตั้งแต่ปี 2006 และ VEPP-4, [14]การทดลองเริ่มต้นในปี 1994 ก่อนหน้านี้สิ่งอำนวยความสะดวก ได้แก่ อิเล็กตรอนอิเล็กตรอนคานคานแรกCollider VEP-1 ซึ่งทำการทดลองตั้งแต่ปี 2507 ถึง 2511; อิเล็กตรอน - โพซิตรอนcolliders VEPP-2 ดำเนินการตั้งแต่ปีพ. ศ. 2508 ถึง พ.ศ. 2517 และผู้สืบทอด VEPP-2M [15]ทำการทดลองตั้งแต่ปี พ.ศ. 2517 ถึง พ.ศ. 2543
• เซิร์น (องค์การยุโรปเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์) ( ฝรั่งเศส - ชายแดนสวิสใกล้เจนีวา ) ปัจจุบันโครงการหลักคือLarge Hadron Collider (LHC) ซึ่งมีการไหลเวียนของลำแสงเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2551 และปัจจุบันเป็นเครื่องชนกันของโปรตอนที่มีพลังมากที่สุดในโลก นอกจากนี้ยังกลายเป็นคอลไลเดอร์ที่มีพลังมากที่สุดของไอออนหนักหลังจากที่มันเริ่มชนกับไอออนของตะกั่ว สิ่งอำนวยความสะดวกก่อนหน้านี้ ได้แก่Large Electron – Positron Collider (LEP) ซึ่งหยุดให้บริการเมื่อวันที่ 2 พฤศจิกายน พ.ศ. 2543 จากนั้นก็ถูกรื้อถอนเพื่อหลีกทางให้ LHC; และซินโครตรอน Super Protonซึ่งถูกนำกลับมาใช้ใหม่เป็นตัวเร่งความเร็วล่วงหน้าสำหรับ LHC และสำหรับการทดลองที่มีเป้าหมายคงที่
• DESY (Deutsches Elektronen-ซินโคร) ( ฮัมบูร์ก , เยอรมนี ) สิ่งอำนวยความสะดวกหลักคือHadron Elektron Ring Anlage (HERA) ซึ่งชนอิเล็กตรอนและโพซิตรอนด้วยโปรตอน [18]เร่งซับซ้อนเน้นในขณะนี้เกี่ยวกับการผลิตของรังสีซินโครกับ PETRA III, FLASH และที่XFEL ยุโรป
• Fermi National Accelerator ทดลอง (Fermilab) ( บาตาเวีย , สหรัฐอเมริกา ) สิ่งอำนวยความสะดวกหลักของมันจนถึง 2011 เป็นTevatronซึ่งชนโปรตอนและ antiprotons และเป็นอนุภาค Collider มีพลังงานสูงที่สุดบนโลกจน Large Hadron Collider ทะลุมันเมื่อวันที่ 29 เดือนพฤศจิกายน 2009
• สถาบันฟิสิกส์พลังงานสูง (IHEP) ( ปักกิ่ง , จีน ) IHEP จัดการสิ่งอำนวยความสะดวกด้านฟิสิกส์อนุภาคที่สำคัญของจีนหลายแห่งรวมถึงBeijing Electron – Positron Collider II (BEPC II), Beijing Spectrometer (BES), Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF), หอสังเกตการณ์รังสีคอสมิก - เรย์นานาชาติที่ Yangbajing ในทิเบต , การทดลองนิวตริโนเครื่องปฏิกรณ์ Daya Bay , แหล่งกำเนิดนิวตรอนของจีน Spallation , กล้องโทรทรรศน์การมอดูเลต X-ray ยาก (HXMT) และระบบย่อยวิกฤตที่ขับเคลื่อนด้วย Accelerator (ADS) รวมถึงหอสังเกตการณ์นิวตริโนใต้ดิน Jiangmen (JUNO) [20]
• KEK ( สึคุบะญี่ปุ่น ) มันเป็นบ้านของจำนวนของการทดลองเช่นการทดลอง K2Kเป็นนิวตริโนสั่นทดลองและเบลล์ครั้งที่สอง , การทดสอบการวัดการละเมิด CPของซอน B
• SLAC National Accelerator Laboratory ( Menlo Park , สหรัฐอเมริกา ) เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นความยาว 2 ไมล์ของมันเริ่มทำงานในปี 2505 และเป็นพื้นฐานสำหรับการทดลองการชนกันของอิเล็กตรอนและโพซิตรอนจำนวนมากจนถึงปี 2008 ตั้งแต่นั้นมาเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นก็ถูกใช้สำหรับเลเซอร์ X-ray Linac Coherent Light Source เช่นเดียวกับเครื่องเร่งขั้นสูง การวิจัยการออกแบบ เจ้าหน้าที่ของ SLAC ยังคงมีส่วนร่วมในการพัฒนาและสร้างเครื่องตรวจจับอนุภาคจำนวนมากทั่วโลก

นอกจากนี้ยังมีเครื่องเร่งอนุภาคอื่น ๆอีกมากมาย

เทคนิคที่จำเป็นสำหรับฟิสิกส์อนุภาคทดลองสมัยใหม่นั้นค่อนข้างหลากหลายและซับซ้อนซึ่งประกอบไปด้วยความพิเศษเฉพาะย่อยที่แตกต่างกันเกือบทั้งหมด[ ต้องการอ้างอิง ]จากด้านทฤษฎีของสนาม

ทฤษฎี

      ฟิสิกส์อนุภาคเชิงทฤษฎี พยายามที่จะพัฒนาแบบจำลองกรอบทฤษฎีและเครื่องมือทางคณิตศาสตร์เพื่อทำความเข้าใจการทดลองในปัจจุบันและทำการคาดการณ์สำหรับการทดลองในอนาคต (ดูฟิสิกส์เชิงทฤษฎีด้วย ) มีความพยายามที่เกี่ยวข้องกันหลายอย่างที่เกิดขึ้นในฟิสิกส์อนุภาคเชิงทฤษฎีในปัจจุบัน

      สาขาที่สำคัญอย่างหนึ่งพยายามทำความเข้าใจStandard Modelและการทดสอบให้ดีขึ้น นักทฤษฎีทำการคาดการณ์เชิงปริมาณของสิ่งที่สังเกตได้ที่colliderและการทดลองทางดาราศาสตร์ซึ่งใช้ร่วมกับการวัดเชิงทดลองเพื่อแยกพารามิเตอร์ของ Standard Model ที่มีความไม่แน่นอนน้อยกว่า งานนี้เป็นการตรวจสอบข้อ จำกัด ของแบบจำลองมาตรฐานดังนั้นจึงขยายความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานของธรรมชาติ ความพยายามเหล่านั้นจะทำสิ่งที่ท้าทายความยากลำบากในการคำนวณปริมาณความแม่นยำสูงในchromodynamics ควอนตัม บางทฤษฎีที่ทำงานในพื้นที่นี้ใช้เครื่องมือของ perturbative ทฤษฎีสนามควอนตัมและทฤษฎีสนามที่มีประสิทธิภาพหมายถึงตัวเองว่าเป็นphenomenologists [ ต้องการอ้างอิง ]อื่น ๆ ทำให้การใช้ทฤษฎีสนามตาข่ายและเรียกตัวเองว่าขัดแตะทฤษฎี

      ความพยายามที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการสร้างแบบจำลองซึ่งผู้สร้างแบบจำลองได้พัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับสิ่งที่ฟิสิกส์อาจอยู่นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน (ที่พลังงานสูงกว่าหรือในระยะทางที่น้อยกว่า) งานนี้มักได้รับแรงจูงใจจากปัญหาลำดับชั้นและถูก จำกัด โดยข้อมูลการทดลองที่มีอยู่ [ ต้องการอ้างอิง ]อาจเกี่ยวข้องกับการทำงานเกี่ยวกับความสมมาตรเหนือทางเลือกของกลไกฮิกส์มิติเชิงพื้นที่เพิ่มเติม (เช่นแบบจำลองแรนดอล - ซุนดรัม ) ทฤษฎีพรีออนการผสมผสานของสิ่งเหล่านี้หรือแนวคิดอื่น ๆ

      ความพยายามที่ใหญ่เป็นอันดับสามในฟิสิกส์อนุภาคทฤษฎีคือทฤษฎีสตริง นักทฤษฎีสตริงพยายามสร้างคำอธิบายแบบรวมของกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยการสร้างทฤษฎีโดยใช้สตริงขนาดเล็กและแบรนมากกว่าอนุภาค หากทฤษฎีนี้ประสบความสำเร็จอาจถือได้ว่าเป็น " Theory of Everything " หรือ "TOE"

นอกจากนี้ยังมีพื้นที่อื่น ๆ ของการทำงานในทางทฤษฎีฟิสิกส์ของอนุภาคตั้งแต่จักรวาลอนุภาคที่จะห่วงแรงโน้มถ่วงควอนตัม [ ต้องการอ้างอิง ]

การแบ่งความพยายามในฟิสิกส์ของอนุภาคนี้สะท้อนให้เห็นในชื่อของหมวดหมู่ในarXivซึ่งเป็นไฟล์เก็บถาวรแบบเตรียมพิมพ์ : [23] hep-th (ทฤษฎี), hep-ph (ปรากฏการณ์วิทยา), hep-ex (การทดลอง), hep-lat ( ทฤษฎีการวัดตาข่าย )

การใช้งานจริง

      โดยหลักการแล้วฟิสิกส์ทั้งหมด (และการประยุกต์ใช้งานจริงที่พัฒนาขึ้นจากนั้น) ได้มาจากการศึกษาอนุภาคพื้นฐาน ในทางปฏิบัติแม้ว่า "ฟิสิกส์อนุภาค" จะหมายถึงเพียง "นักทำลายอะตอมพลังงานสูง" แต่เทคโนโลยีหลายอย่างก็ได้รับการพัฒนาขึ้นในระหว่างการสำรวจบุกเบิกเหล่านี้ซึ่งต่อมาพบว่ามีประโยชน์อย่างกว้างขวางในสังคม เครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้ในการผลิตไอโซโทปทางการแพทย์สำหรับการวิจัยและการรักษา (เช่นไอโซโทปที่ใช้ในการถ่ายภาพ PET ) หรือใช้โดยตรงในการรักษาด้วยรังสีแสงภายนอก การพัฒนาตัวนำยิ่งยวดได้รับการผลักดันไปข้างหน้าโดยใช้ในฟิสิกส์ของอนุภาค เทคโนโลยีเวิลด์ไวด์เว็บและหน้าจอสัมผัสได้รับการพัฒนาครั้งแรกที่เซิร์น พบแอปพลิเคชันเพิ่มเติมในด้านการแพทย์ความมั่นคงของประเทศอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์และการพัฒนาบุคลากรซึ่งแสดงให้เห็นถึงรายการแอปพลิเคชันที่เป็นประโยชน์ที่มีมายาวนานและเพิ่มมากขึ้นโดยมีส่วนร่วมจากฟิสิกส์อนุภาค

อนาคต

      เป้าหมายหลักซึ่งจะไล่ตามในรูปแบบที่แตกต่างกันหลายคือการค้นหาและเข้าใจในสิ่งที่ฟิสิกส์อาจอยู่เกินกว่ารุ่นมาตรฐาน มีเหตุผลหลายประการทดลองที่มีประสิทธิภาพที่จะคาดหวังฟิสิกส์ใหม่ ๆ รวมทั้งมีสสารมืดและมวลนิวตริโน นอกจากนี้ยังมีคำแนะนำทางทฤษฎีที่ควรพบฟิสิกส์ใหม่นี้ในระดับพลังงานที่สามารถเข้าถึงได้

      ความพยายามอย่างมากในการค้นหาฟิสิกส์ใหม่นี้มุ่งเน้นไปที่การทดลอง collider ใหม่ Large Hadron Collider (LHC) เสร็จสมบูรณ์ในปี 2008 เพื่อช่วยเหลือยังคงค้นหาสำหรับBoson ฮิกส์ , อนุภาคเมและฟิสิกส์ใหม่อื่น ๆ เป้าหมายระดับกลางคือการสร้างInternational Linear Collider (ILC) ซึ่งจะช่วยเสริม LHC โดยช่วยให้สามารถวัดคุณสมบัติของอนุภาคที่เพิ่งค้นพบได้แม่นยำยิ่งขึ้น ในเดือนสิงหาคม 2547 มีการตัดสินใจเลือกเทคโนโลยีของ ILC แต่ยังคงต้องตกลงกันในเว็บไซต์

      นอกจากนี้ยังมีการทดลองที่มีความสำคัญไม่ใช่ Collider ที่ยังพยายามที่จะหาและเข้าใจฟิสิกส์เกินกว่ารุ่นมาตรฐาน ความพยายามที่ไม่ใช้คอลไลเดอร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการกำหนดมวลนิวตริโนเนื่องจากมวลเหล่านี้อาจเกิดขึ้นจากนิวตริโนผสมกับอนุภาคที่หนักมาก นอกจากนี้การสังเกตการณ์ทางจักรวาลวิทยายังให้ข้อ จำกัด ที่เป็นประโยชน์มากมายเกี่ยวกับสสารมืดแม้ว่าจะไม่สามารถระบุลักษณะที่แน่นอนของสสารมืดได้หากไม่มี colliders ก็ตาม ในที่สุดขอบเขตที่ต่ำกว่าของอายุการใช้งานที่ยาวนานของโปรตอนทำให้เกิดข้อ จำกัด ของGrand Unified Theoriesที่ระดับพลังงานสูงกว่าการทดลองแบบ collider จะสามารถตรวจสอบได้ทุกเมื่อในไม่ช้า

   ในเดือนพฤษภาคม 2014
      คณะกรรมการจัดลำดับความสำคัญของโครงการฟิสิกส์อนุภาคได้เปิดเผยรายงานเกี่ยวกับลำดับความสำคัญในการระดมทุนฟิสิกส์อนุภาคสำหรับสหรัฐอเมริกาในทศวรรษหน้า รายงานนี้เน้นย้ำถึงการมีส่วนร่วมของสหรัฐฯใน LHC และ ILC อย่างต่อเนื่องและการขยายการทดลอง Deep Underground Neutrinoรวมถึงคำแนะนำอื่น ๆ

หา'ค่าคงที่การสลายตัว'กัน

หา'กัมมันตภาพ'กัน

แบบทดสอบเรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค

rmutphysics	Quizizz
site.google	krukird

แหล่งที่มา

https://www.scimath.org/lesson-physics/item/11695-2020-07-10-04-01-03

แหล่งที่มา แบบทดสอบ

http://www.atom.rmutphysics.com/

https://quizizz.com/

https://sites.google.com/

http://www.krukird.com/

http://physicsnuclearscience.blogspot.com/