ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ : การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส


ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ พบว่า เวลามีการแผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้นเสมอ เช่น เมื่อทอเรียม ปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็นเรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอมน้อยกว่าธาตุทอเรียมเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาโดยประมาณ นอกจากนี้ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสของเรเดียมก็มีค่าน้อยกว่านิวเคลียสของทอเรียมเท่ากับ 2e ด้วย เนื่องจากมวลอะตอมของธาตุต่างๆ มีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียส ทั้งนี้ เพราะมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงมวลอะตอมจึงเป็นผลมาจากการเปลี่ยนมวลของนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคแอลฟาเกิดจากการเปลี่ยนนิวเคลียสของทอเรียมเป็นเรเดียม

ในการแผ่รังสีบีตา เช่น ตะกั่วเมื่อปล่อยอนุภาคบีตาออกมาจะกลายเป็นบิสมัท ซึ่งประจุของนิวเคลียสก็จะเพิ่มขึ้น 1e แต่มีมวลใกล้เคียงกัน อิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตา ที่ออกมานี้มีพลังงานจลน์มากเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคบีตาไม่ใช่อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส นั่นคือ อนุภาคบีตานี้เกิดจากผลการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส

สำหรับการแผ่รังสีแกมมานั้น เราพบว่า รังสีแกมมามีพลังงานสูงเกินกว่าที่จะเป็นพลังงานที่ได้จากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม จึงกล่าวได้ว่า รังสีทั้งสามชนิดเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ด้วยเหตุที่ปรากฎการณ์กัมมันตภาพรังสีเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ดังนั้น การศึกษากัมมันตภาพรังสีจะทำให้รู้องค์ประกอบของนิวเคลียสได้

องค์ประกอบของนิวเคลียส

จากการที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีบางชนิด ปล่อยอนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบีตาออกมา ทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคทั้งสองชนิดรวมกันอยู่ แนวคิดนี้ต้องล้มเลิกไป เพราะมวลของนิวเคลียสทั้งหลายมิได้เป็นจำนวนเต็มเท่าของมวลของอนุภาคแอลฟา นอกจากนี้นิวเคลียสของธาตุบางธาตุยังมีมวลน้อยกว่ามวลของอนุภาคแอลฟาเสียอีก เช่น นิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน เป็นต้น

เนื่องจากนิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสที่เบาที่สุด ดังนั้นนิวเคลียสของไฮโดนเจนจึงอาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่างๆ ได้ แนวคิดนี้ได้รับการสนับสนุนโดยรัทเทอร์ฟอร์ด หลังจากที่รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนกับนิวเคลียสของไนโตรเจน และพบว่า มีนิวเคลียสของออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดขึ้น ดังภาพ (4) เขาจึงเสนอให้เรียกนิวเคลียสของไฮโดรเจนว่า โปรตอน (proton) และจากการที่ธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุมีการปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนออกมา ทำให้นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่า อิเล็กตรอนก็อาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่างๆ ได้เช่นกัน ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการตั้ง สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอน ว่า นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน เช่น ลิเทียมซึ่งมีมวลอะตอมประมาณ 7 เท่าของมวลโปรตอน และมีประจุบวกเท่ากับขนาดประจุของอิเล็กตรอน 3 ตัว ดังนั้น นิวเคลียสของลิเทียมจึงควรประกอบด้วยโปรตอน 7 ตัว และอิเล็กตรอน 4 ตัว อยู่ในนิวเคลียส จึงทำให้นิวเคลียสของธาตุมีประจุ +3e

สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอนสามารถอธิบายการแผ่รังสีแอลฟาได้ กล่าวคือ อนุภาคแอลฟาเกิดจากการรวมตัวกันระหว่างโปรตอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว ในการทะลวงหลุดออกมาจากนิวเคลียส ส่วนการแผ่รังสีบีตานั้นเกิดจากการปล่อยอิเล็กตรอนในนิวเคลียสออกมา แต่จากหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์กข้อมูลนี้ชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียสไม่ได้ เพราะถ้าอิเล็กตรอนอยู่ได้ พลังงานของอิเล็กตรอนจะสูงจนนิวเคลียสไม่สามารถกักขังอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้ยังมีปรากฎการณ์ของนิวเคลียสอีกหลายเรื่องที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยสมมติฐานนี้ จึงทำให้ต้องยกเลิกสมมติฐานนี้ไป

ภาพ 4 : การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของไนโตรเจนเนื่องจากการยิงด้วยอนุภาคแอลฟา

การพบนิวตรอน

จากหัวข้อที่แล้ว ทราบว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในนิวเคลียส แต่จากการที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี สามารถปล่อยอิเล็กตรอนหรือแผ่รังสีบีตาออกมานั้น ทำให้เกิดความสงสัยในหมู่นักฟิสิกส์ว่า อิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีได้อย่างไร ในปี พ.ศ.2463 รัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอความเห็นเกี่ยวกับชนิดของอนุภาคในนิวเคลียสว่า อิเล็กตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสอาจรวมตัวกันเป็นอนุภาคที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งเขาเรียกว่า นิวตรอน (neutron) ได้ นักฟิสิกส์ในสมัยนั้นจึงได้พยายามค้นหาอนุภาคนิวตรอน แต่ก็มีอุปสรรคมากมายและปัญหาใหญ่ก็คือ ไม่มีแหล่งกำเนิดนิวตรอนในธรรมชาติ และวิธีการตรวจสอบอนุภาคที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักในขณะนั้นอาศัยสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กซึ่งใช้ได้เฉพาะกับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่านั้น

จากการที่รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถทำให้นิวเคลียสของธาตุเกิดการเปลี่ยนสภาพในห้องปฏิบัติการ โดยการยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนนิวเคลียสของไนโตรเจนแล้ว ทำให้มีโปรตอนหลุดออกมา การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสนี้มิได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ดังที่แบกเกอเรลค้นพบ ในเวลานักฟิสิกส์จึงสนใจการเปลี่ยนแปลงแบบนี้มาก และได้ศึกษาการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสลักษณะนี้อย่างกว้างขวาง ตัวอย่างหนึ่งได้แก่ การทดลองยิงอนุภาคแอลฟาให้ฟุ่งชนนิวเคลียสของธาตุเบริลเลียม ซึ่งพบว่ามีการปล่อยรังสีที่มีสมบัติคล้ายรังสีแกมมาออกมา ในระยะแรกนักฟิสิกส์เข้าใจว่า รังสีนี้เป็นรังสีแกมมา เพราะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า และสามารถทะลุผ่านวัตถุ เช่น อิฐหรือแผ่นโลหะหนาๆ ได้ดีมาก อย่างไรก็ตาม มีการพบว่ารังสีนี้มีพลังงาน 10 MeV ซึ่งมากกว่าพลังงานของรังสีแกมมาที่พบในสารกัมมันตรังสี และเมื่อให้รังสีนี้กระทบพาราฟินซึ่งเป็นสารที่ประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจน ก็พบว่า มีโปรตรอนพลังงาน 5 MeV กระเด็นหลุดออกจากพาราฟิน แต่จากกการคำนวณโดยอาศัยกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎอนุรักษ์พลังงานกลับพบว่า ถ้ารังสีที่กระทบพาราฟินเป็นรังสีแกมมา พลังงานของรังสีนี้ต้องมีค่าถึง 50 MeV จึงจะทำให้ได้โปรตอนที่มีพลังงาน 5 MeV เหตุผลดังกล่าวจึงแสดงว่า รังสีที่ได้จากการยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนนิวเคลียสของเบริลเลียมไม่ใช่รังสีแกมมา

ภาพ 5 : แชดวิก

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ แชดวิก ได้วิเคราะห์ผลการทดลองดังกล่าวและเสนอความคิดว่า รังสีที่ออกมานั้นน่าจะเป็นอนุภาคนิวตรอน จากนั้นแชดวิกได้ทำการศึกษาการชนระหว่างอนุภาคที่เขาคิดว่าเป็นนิวตรอนกับพาราฟิน เพื่อวัดความเร็วของโปรตอนที่กระเด็นหลุดออกมา และในทำนองเดียวกันก็ได้ให้อนุภาคที่คิดว่าเป็นนิวตรอนนี้พุ่งชนนิวเคลียสของไนโตรเจนแล้ววัดความเร็วของนิวเคลียสของไนโตรเจนที่ถูกชน เมื่อแชดวิกสมมติว่าการชนเป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ แล้วใช้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎการอนุรักษ์พลังงานเพื่อคำนวณหามวลของนุภาคดังกล่าว พบว่า มีค่าใกล้เคียงมวลของโปรตอนมาก เขาจึงสรุปว่าอนุภาคที่ได้จากการชนกันของอนุภาคแอลฟา และเบริลเลียม คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งผลของการศึกษานี้เป็นการสนับสนุนอนุภาคแอลฟาและเบริลเลียม คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งผลของการศึกษานี้เป็นการสนับสนุนความคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่า มีอนุภาคนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียส

ภาพ 6 : แสดงแผนภาพการทดลองของแชดวิก

เมื่อแชดวิกพบอนุภาคนิวตรอนแล้ว ได้มีการตั้งสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนิวเคลียสใหม่ เรียก สมมติฐานโปรตอน – นิวตรอน ว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอนุภาคนิวตรอน รวมเรียกอนุภาคซึ่งเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสว่า นิวคลีออน (nucleon) และเรียกผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสว่า เลขมวล และเรียกจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสว่า เลขอะตอม

เลขมวลของธาตุเป็นเลขจำนวนเต็มที่มีค่าใกล้เคียงมวลอะตอมของธาตุนั้นมากที่สุด เช่น ธาตุยูเรเนียมที่มีเลขมวล 238 มีมวลอะตอมเท่ากับ 238.05 u และนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมนี้มีจำนวนโปรตอน และนอวตรอนรวมกันเท่ากับ 238 สำหรับเลขอะตอมนั้นนอกจากเป็นตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนที่มีในนิวเคลียสแล้ว ตัวเลขนี้ยังบอกประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสด้วย เช่น ในกรณีของยูเรนียมซึ่งเลขอะตอมมีค่าเท่ากับ 92 นิวเคลียส จะมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ +92e เป็นต้น

นักฟิสิกส์ได้กำหนดให้เขียนสัญลักษณ์นิวเคลียสของธาตุ X ที่มีเลขมวล A และเลขอะตอม Z เป็น เช่น เป็นสัญลักษณ์ของธาตุยูเรเนียมที่มีโปรตอน 92 ตัว หรือมีประจุไฟฟ้า +92e

และผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเป็น 238 นั่นคือ มีนิวตรอน 146 ตัว ในบางครั้งอาจเขียนสัญลักษณ์นี้อย่างย่อ X – A ก็ได้ เช่น U – 238 เป็นต้น

ในทำนองเดียวกันเราสามารถใช้สัญลักษณ์นี้กับอนุภาคได้ เช่น อนุภาคแอลฟาหรือนิวเคลียสของฮีเลียมมีเลขมวลเท่ากับ 4 และมีเลขอะตอมเท่ากับ 2 จึงเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น ส่วนในกรณีของบีตา จะเขียนสัญลักษณ์เป็น ซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้า -1e และมีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลของธาตุใดๆ จึงถือว่าเลขมวลเป็นศูนย์ อนุภาคอื่นๆ เช่น นิวตรอน โปรตอน มีสัญลักษณ์เป็น และ ตามลำดับ สำหรับรังสีแกมมานั้นไม่มีทั้งประจุไฟฟ้าและมวล จึงเขียนสัญลักษณ์เป็น y ตามเดิม

การอาศัยความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของนิวเคลียสดังที่กล่าวมาแล้ว ทำให้สามารถอธิบายการแผ่รังสีของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีได้ กล่าวคือ ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุหนึ่งปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา จะมีการเปลี่ยนแปลงสภาพของนิวเคลียสเปลี่ยนไป จำทำให้มีนิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น นั่นคือ นิวเคลียสของธาตุเดิมได้สลายไปเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่พร้อมกับมีการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ตัวอย่างเช่น การสลายของยูเรเนียม -238 เป็นทอเรียม -234 แล้วปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา สามารถแทนได้ด้วยสมการ


ในการสลายให้อนุภาคบีตานั้นพบว่า ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลแต่อย่างใด แต่จะมีการเพิ่มเลขอะตอมขึ้น 1 ซึ่งเป็นผลทำให้มีนิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น เช่น การสลายของตะกั่ว -214 เป็นบิสทัท -214 และปล่อยอนุภาคบีตา และรังสีแกมมาออกมา ซึ่งสามารถเขียนด้วยสมการ


การที่เป็นเช่นนี้ เพราะนิวตรอนได้เปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและให้อิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาออกมา ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสจึงเพิ่มขึ้นแต่เลขมวลยังคงเดิม

ตามปกติในการสลายให้อนุภาคแอลฟาและบีตามักมีรังสีแกมมาออกมาด้วย ทั้งนี้เพราะภายหลังจากการสลายทั้ง 2 ชนิด นิวเคลียสจะมีการเปลี่ยนระดับพลังงานมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า เป็นผลให้มีการปล่อยรังสีแกมมาออกมาและนิวเคลียสไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลและเลขอะตอมแต่อย่างใด ตัวอย่างการสลายที่ให้รังสีแกมมาตามมาด้วย ได้แก่ การสลายของตะกั่ว -214 ดังกล่าวข้างต้น


ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ฟิสิกส์ เล่ม 3
ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ ฟิสิกส์ ม.4-5-6 บริษัทไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง จำกัด
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.6 สสวท 2544
จำนวนคนอ่าน 8490 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved