Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Nuclear physics · ⁨ฟิสิกส์นิวเคลียร์⁩

A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩ · Topic 23 · ⁨หัวข้อ 23⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
13:08

สมมูลมวล-พลังงาน

มองขึ้นไปที่ดวงอาทิตย์ ทุกวินาที มันแปลงมวลของตัวเองสี่ล้านตัน — หายไป, ลับหายไป — เป็นพลังงานบริสุทธิ์ ไม่ได้เผาไหม้ แต่ถูกเปลี่ยนรูป มวลที่สูญเสียไป...

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

23.1

Mass-energy equivalence · ⁨ความเทียบเท่ามวล-พลังงาน⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. understand the equivalence between energy and mass as represented by $E = mc^2$ and recall and use this equation
  2. represent simple nuclear reactions by nuclear equations of the form $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
  3. define and use the terms mass defect and binding energy
  4. sketch the variation of binding energy per nucleon with nucleon number
  5. explain what is meant by nuclear fusion and nuclear fission
  6. explain the relevance of binding energy per nucleon to nuclear reactions, including nuclear fusion and nuclear fission
  7. calculate the energy released in nuclear reactions using $E = c^2 \Delta m$
ไทย
  1. เข้าใจถึงความ เทียบเท่าระหว่างพลังงานและมวล ซึ่งแสดงด้วย $E = mc^2$ และจำ并使用สมการนี้
  2. แสดง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ แบบง่ายโดยใช้ สมการนิวเคลียร์ รูปแบบ $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
  3. นิยามและใช้ศัพท์ ความบกพร่องของมวล และ พลังงานยึดเหนี่ยว
  4. วาดกราฟแสดงความแปรปรวนของ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อ นิวคลีออน กับ จำนวนนิวคลีออน
  5. อธิบายความหมายของ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน
  6. อธิบายความสำคัญของพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนที่มีต่อปฏิกิริยานิวเคลียร์ รวมถึงฟิวชันและฟิชชัน
  7. คำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยใช้ $E = c^2 \Delta m$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English

Einstein's special relativity gives the famous link (mass-energy equivalence 质能等价):

$$E = m c^{2},$$

where $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. A mass $m$ matches an energy 能量 $E$ — the two can change into each other. For a mass change $\Delta m$:

Worked example. The star Sirius loses mass through nuclear fusion at $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. Find the power it radiates.

Every kilogram that disappears leaves as energy: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. This is the star's luminosity 光度 (Topic 25); the Sun's is $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, so it loses about $4$ million tonnes a second. The same idea in reverse: a power station producing $1\ \text{GW}$ for a year converts $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$ of mass, which is why the fuel weighs almost the same afterwards.

$$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$

In nuclear physics the masses are tiny but $c^{2}$ is huge, so a small mass change means a large energy. A mass change of $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) matches $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. This gives a conversion you will use again and again:

$$1\ \text{u} \ \longleftrightarrow\ 931\ \text{MeV}.$$
ไทย

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ให้ความเชื่อมโยงที่มีชื่อเสียง (ความเทียบเท่ามวล-พลังงาน):

มวลและพลังงานสามารถเปลี่ยนเป็นกันได้, E = m c squared
มวลและพลังงานเทียบเท่ากันได้และสามารถแปลงเป็นกันและกัน
$$E = m c^{2},$$

โดยที่ $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. มวล $m$ สอดคล้องกับ พลังงาน $E$ — ทั้งสองสามารถแปลงเป็นกันและกัน สำหรับการเปลี่ยนแปลงมวล $\Delta m$:

ตัวอย่างทำโจทย์. ดาวซิริอุสสูญเสียมวลจากการหลอมนิวเคลียสที่ $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. จงหากำลังไฟฟ้าที่ดาวนี้แผ่รังสีออกมา

ทุกกิโลกรัมที่หายไปจะกลายเป็นพลังงาน: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. นี่คือ ความสว่างของดาว (luminosity) (หัวข้อ 25); ของดวงอาทิตย์คือ $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, ดังนั้นมันจึงสูญเสียประมาณ $4$ ล้านตันต่อวินาที. แนวคิดเดียวกันในทางกลับกัน: โรงไฟฟ้าย่อยสลายผลิต $1\ \text{GW}$ เป็นเวลาหนึ่งปี จะเปลี่ยนมวล $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$, ซึ่งนั่นคือเหตุผลว่าทำไมเชื้อเพลิงถึงมีน้ำหนักเกือบเท่าเดิม afterwards.

$$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$

ในฟิสิกส์นิวเคลียส มวลมีขนาดเล็กแต่ $c^{2}$ มีค่ามหาศาล, ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงมวลเพียงเล็กน้อยจึงหมายถึงพลังงานจำนวนมาก การเปลี่ยนแปลงมวล $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) สอดคล้องกับ $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. สิ่งนี้ให้ค่าการแปลงที่คุณจะใช้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า:

$$1\ \text{u} \ \longleftrightarrow\ 931\ \text{MeV}.$$
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ ความส่องสว่าง
nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ ปฏิกิริยานิวเคลียร์
23.1

Nuclear reactions · ⁨ปฏิกิริยานิวเคลียร์⁩

English

A nuclear reaction 核反应 is written like

$$^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H},$$

with nucleon number 核子数 conserved (top numbers: $14 + 4 = 17 + 1$) and charge conserved (bottom numbers: $7 + 2 = 8 + 1$) — this is conservation of charge 电荷守恒. Use these to fill in an unknown: identify the species, then balance the top and bottom numbers.

The decay equations. Alpha decay removes $^{4}_{2}\text{He}$, so $A$ falls by 4 and $Z$ by 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. Beta-minus decay turns a neutron into a proton, emitting an electron and an antineutrino: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ unchanged, $Z$ up by 1). Beta-plus decay turns a proton into a neutron, emitting a positron 正电子 and a neutrino 中微子: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ down by 1). Gamma emission changes neither number. In a chain of decays just keep the books: a nucleus W that emits $\beta^{-}$, then $\alpha$, then $\beta^{-}$ ends with $A - 4$ and $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, an isotope of W. Check both lines of every equation you complete, and remember the neutrino: the mark scheme includes it.

ไทย

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เขียนได้ดังนี้

$$^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H},$$

โดยมี เลขนิวคลีออน (nucleon number) คงที่ (ตัวเลขด้านบน: $14 + 4 = 17 + 1$) และมีประจุคงที่ (ตัวเลขด้านล่าง: $7 + 2 = 8 + 1$) — นี่คือ กฎการอนุรักษ์ประจุ. ใช้สิ่งเหล่านี้ในการเติมช่องว่างที่ไม่ทราบค่า: ระบุชนิดอนุภาค แล้วปรับสมดุลตัวเลขด้านบนและด้านล่าง

สมการการสลายตัว. การสลายตัวอัลฟาจะกำจัด $^{4}_{2}\text{He}$, ดังนั้น $A$ ลดลง 4 และ $Z$ ลดลง 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. การสลายตัวเบตาลบ (beta-minus) เปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอน ปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวทริโน: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ ไม่เปลี่ยนแปลง, $Z$ เพิ่มขึ้น 1). การสลายตัวเบตาบวก (beta-plus) เปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอน ปล่อย โพซิตรอน และ นิวทริโน: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ ลดลง 1). การแผ่รังสีแกมมาไม่เปลี่ยนจำนวนใด ๆ. ในลำดับของการสลายตัว ให้บันทึกไว้เท่านั้น: นิวเคลียส W ที่ปล่อย $\beta^{-}$, จากนั้น $\alpha$, แล้ว $\beta^{-}$ จะสิ้นสุดที่ $A - 4$ และ $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, ซึ่งเป็น ไอโซโทปของ W. ตรวจสอบทั้งสองบรรทัดของสมการที่คุณทำเสร็จทุกครั้ง, และจำไว้ว่าต้องมีนิวทริโน: แผนการให้คะแนนจะรวมมันด้วย

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ เลขนิวคลีออน
conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ การอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
23.1

Mass defect and binding energy · ⁨ความด้อยมวลและพลังงานยึดเหนี่ยว⁩

English

The mass of a nucleus 原子核 is less than the total mass of its separate protons 质子 and neutrons 中子. The difference is the mass defect 质量亏损 $\Delta m$:

$$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$

By $E = mc^{2}$, this "missing" mass was released as energy when the nucleus formed. To pull the nucleus fully apart you must put that energy back — the binding energy 结合能 $B$:

$$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$

Worked example. A helium-4 nucleus has a mass defect of $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. Find its binding energy. ($1\ \text{u}$ corresponds to $931\ \text{MeV}$.)

$$B = \Delta m \cdot c^{2} = 0.0304 \times 931 \approx 28\ \text{MeV}.$$

A more tightly bound nucleus has a larger mass defect and larger binding energy. The binding energy per nucleon 比结合能 is $B/A$ (usually in MeV per nucleon) — a measure of how tightly each nucleon is held, useful for comparing nuclides.

The two-mark definitions. The mass defect of a nucleus is the difference between the total mass of its separate nucleons and the mass of the nucleus. The binding energy is the minimum energy required to separate the nucleus into its individual nucleons (equivalently, the energy released when the nucleus is formed from separate nucleons). Say "separate nucleons" or "individual protons and neutrons"; "the energy holding the nucleus together" scores nothing. Binding energy is released, not stored: the nucleus has less energy than its parts.

Worked example. The masses are: proton $1.007\,276\ \text{u}$, neutron $1.008\,665\ \text{u}$, polonium-212 nucleus $211.945\,4\ \text{u}$. Find the mass defect and the binding energy per nucleon of $^{212}_{84}\text{Po}$.

$Z = 84$ protons and $N = 212 - 84 = 128$ neutrons: total $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. Mass defect $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. Binding energy $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, so per nucleon $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, on the falling part of the curve. Keep every decimal place until the subtraction: the defect is a small difference of two large numbers.

Binding energy per nucleon vs nucleon number

A graph of $B/A$ against $A$ has a typical shape:

  • for light nuclei ($A < 20$), $B/A$ rises quickly (with a spike at the very stable $^{4}_{2}\text{He}$).
  • around $A \sim 56$ (iron), $B/A$ reaches its maximum of about $8.8\ \text{MeV}$. Iron-56 is the most stable nucleus.
  • for heavy nuclei ($A > 100$), $B/A$ falls slowly, to about $7.5\ \text{MeV}$ for uranium.

So the curve is dome-shaped, rising to iron then falling.

Sketching the curve. The exam gives blank axes ($A$ from 1 to 250, $B/A$ up to about $9\ \text{MeV}$) and marks: a steep rise from near zero at $A = 1$, a maximum near $A = 56$ at about $8.8\ \text{MeV}$, then a slow, gentle fall to about $7.5\ \text{MeV}$ at $A = 238$. Do not start the curve at the origin exactly (hydrogen-1 has no binding energy but is a single point), do not make the fall as steep as the rise, and do not let the curve reach zero on the right. Asked to mark a nucleus that undergoes alpha decay, put X on the far right, $A > 200$; a nucleus that undergoes fusion goes at the far left, $A < 10$; both are at low $B/A$, moving up the curve when they react.

ไทย

มวลของ นิวเคลียส มีค่าน้อยกว่าผลรวมมวลของ โปรตอน และ นิวตรอน แยกต่างหาก. ส่วนต่างนี้เรียกว่า ความด้อยมวล (mass defect) $\Delta m$:

$$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$

ตาม $E = mc^{2}$, “มวลที่หายไป” นี้ được phát ra dưới dạng năng lượng khi hạt nhân hình thành. Чтобы tách hoàn toàn hạt nhân ra, bạn phải cung cấp lại năng lượng đó — đây là năng lượng liên kết (binding energy) $B$:

$$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$

Protons và neutrons riêng lẻ có tổng khối lượng Z m_p + N m_n; khi chúng tập hợp thành hạt nhân thì hạt nhân có khối lượng ít hơn (độ hụt khối), và phần khối lượng bị mất này được giải phóng dưới dạng năng lượng liên kết B *Hạt nhân được tạo thành có khối lượng ít hơn các nucleons riêng lẻ; phần khối lượng bị mất được giải phóng dưới dạng năng lượng liên kết

ตัวอย่างทำโจทย์. นิวเคลียสเฮเลียม-4 มีความด้อยมวล $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. จงหาพลังงานยึดเหนี่ยวของมัน. ($1\ \text{u}$ สอดคล้องกับ $931\ \text{MeV}$.)

$$B = \Delta m \cdot c^{2} = 0.0304 \times 931 \approx 28\ \text{MeV}.$$

นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงกว่าจะมีความด้อยมวลและพลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงขึ้น พลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออน คือ $B/A$ (มักอยู่ในหน่วย MeV ต่อหนึ่งนิวคลีออน) — เป็นตัวชี้วัดว่าแต่ละนิวคลีออนถูกยึดติดกันแน่นแค่ไหน, มีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบนิวคลีได์ต่างๆ

นิยามแบบ 2 คะแนน. ความด้อยมวลของนิวเคลียสคือส่วนต่างระหว่างผลรวมมวลของนิวคลีออนแยกต่างหากกับมวลของนิวเคลียส. พลังงานยึดเหนี่ยวคือพลังงานขั้นต่ำที่ต้องการเพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนรายบุคคล (หรือเทียบเท่ากัน, พลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสถูกสร้างจากนิวคลีออนแยกต่างหาก). ต้องพูดว่า "นิวคลีออนแยกต่างหาก" หรือ "โปรตอนและนิวตรอนรายบุคคล"; คำว่า "พลังงานที่ยึดนิวเคลียสเข้าด้วยกัน" จะไม่ได้คะแนน. พลังงานยึดเหนี่ยวคือ ถูกปล่อยออกมา, ไม่ใช่ถูกเก็บไว้: นิวเคลียสมี พลังงานน้อยกว่า ส่วนประกอบของมัน

ตัวอย่างทำโจทย์. มวลคือ: โปรตอน $1.007\,276\ \text{u}$, นิวตรอน $1.008\,665\ \text{u}$, นิวเคลียสโพลโอนিয়ัม-212 $211.945\,4\ \text{u}$. จงหาความด้อยมวลและพลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออนของ $^{212}_{84}\text{Po}$.

$Z = 84$ โปรตอนและ $N = 212 - 84 = 128$ นิวตรอน: ผลรวม $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. ความด้อยมวล $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. พลังงานยึดเหนี่ยว $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, ดังนั้นต่อหนึ่งนิวคลีออน $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, อยู่บนส่วนลดลงของกราฟ. รักษาทศนิยมทุกตำแหน่งจนถึงการลบ: ความด้อยมวลเป็นผลต่างเล็กน้อยของสองจำนวนที่มีขนาดใหญ่

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออนเทียบกับเลขนิวคลีออน

กราฟของ $B/A$ เทียบกับ $A$ จะมีรูปร่างทั่วไปดังนี้:

  • สำหรับนิวเคลียสเบา ($A < 20$), $B/A$เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (พร้อมกับการพุ่งสูงที่เสถียรมาก $^{4}_{2}\text{He}$).
  • ประมาณ $A \sim 56$ (เหล็ก), $B/A$เข้าสู่ ค่าสูงสุด ประมาณ $8.8\ \text{MeV}$. เหล็ก-56 เป็นนิวเคลียสที่เสถียรที่สุด
  • สำหรับนิวเคลียสหนัก ($A > 100$), $B/A$ลดลงอย่างช้าๆ, ไปจนถึงประมาณ $7.5\ \text{MeV}$สำหรับยูเรเนียม

ดังนั้นกราฟมีรูปทรงโดม, เพิ่มสูงขึ้นสู่เหล็กแล้วค่อยๆ ลดลง

วาดกราฟ. การสอบจะให้แกนว่าง ($A$ จาก 1 ถึง 250, $B/A$ สูงถึงประมาณ $9\ \text{MeV}$) และเครื่องหมาย: การเพิ่มขึ้นชันจากใกล้ศูนย์ที่ $A = 1$, ค่าสูงสุดNear $A = 56$ที่ประมาณ $8.8\ \text{MeV}$, จากนั้น การลดลงช้าและนุ่มนวลไปประมาณ $7.5\ \text{MeV}$ที่ $A = 238$. อย่าเริ่มกราฟที่จุดกำเนิดโดยตรง (ไฮโดรเจน-1 ไม่มีพลังงานยึดเหนี่ยวแต่เป็นจุดเดียว), อย่าทำให้การลดลงชันเท่ากับการเพิ่มขึ้น, และอย่าปล่อยให้กราฟ触及ศูนย์ทางขวา. ถูกถามให้ระบุนิวเคลียสที่ undergoes alpha decay, วาง X ทางด้านขวาสุด, $A > 200$; นิวเคลียสที่ undergoes fusion ไปอยู่ทางซ้ายสุด, $A < 10$; ทั้งคู่อยู่ที่ $B/A$ ต่ำ, เคลื่อนที่ขึ้นตามกราฟเมื่อเกิดปฏิกิริยา

A graph of binding energy per nucleon in MeV against nucleon number: rising steeply for light nuclei to a peak of about 8.8 MeV near A = 56, then falling slowly for heavy nuclei, with arrows showing that fusion of light nuclei and fission of heavy nuclei both move towards the peak
Binding energy per nucleon peaks near iron ($A \approx 56$); lighter and heavier nuclei are less tightly bound
Explore · ⁨สำรวจ⁩

Mass defect energy lab · ⁨ห้องปฏิบัติการพลังงานมวลเสีย⁩

E = delta m c^2

Change mass defect and see binding energy rise with E = mc^2. · ⁨เปลี่ยนมวลเสียเพื่อดูพลังงานยึดเหนี่ยวเพิ่มขึ้นตาม E = mc^2.⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
mass-energy equivalence/mæs ˈenədʒi ɪˈkwɪvələns/ สมมูลมวล-พลังงาน
energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ การหลอมรวมนิวเคลียร์
neutron/ˈnjuːtrɒn/ นิวตรอน
proton/ˈprəʊtɒn/ โปรตอน
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียส
mass defect/mæs ˈdiːfekt/ มวลเสีย
binding energy/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi/ พลังงานยึดเหนี่ยว
binding energy per nucleon/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi pɜː ˈnjuːklɪən/ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีโอออน
nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ การแตกตัวของนิวเคลียร์
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ สถิตไฟฟ้า
strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ แรงนิวเคลียร์แรง
23.1

Nuclear fusion and fission · ⁨การหลอมรวมและแตกตัวของนิวเคลียส⁩

English

Energy is released when nuclei move towards the iron peak — by joining light nuclei or splitting heavy ones.

Nuclear fusion

Nuclear fusion 核聚变 joins two light nuclei into one heavier nucleus:

$$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

The product has greater binding energy per nucleon than the reactants, so energy is released. Fusion powers stars. It needs very high temperatures (millions of kelvin) so the nuclei have enough kinetic energy 动能 to beat their electrostatic 静电 repulsion and get close enough for the strong nuclear force 强核力 to take over.

Nuclear fission

Nuclear fission 核裂变 splits a heavy nucleus into two lighter ones:

$$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

The products have higher binding energy per nucleon than $^{235}$U, so energy is released. The extra neutrons can cause more fissions — a chain reaction 链式反应 in a large enough mass of fuel (the critical mass 临界质量). This is the basis of nuclear power and weapons.

"Describe the differences between fission and fusion." Fission: a heavy nucleus (large $A$) splits into two lighter nuclei of roughly similar mass, usually after absorbing a neutron, releasing further neutrons. Fusion: two light nuclei (small $A$) join to form one heavier nucleus; it needs very high temperature and pressure to overcome the electrostatic repulsion between the nuclei. Both release energy, but per kilogram of fuel fusion releases more.

"Explain, with reference to the curve, why energy is released." In both processes the products lie higher on the binding-energy-per-nucleon curve than the reactants: each nucleon ends up more tightly bound, so the total binding energy increases. The extra binding energy is released (as the kinetic energy of the products and as photons), and the total mass of the products is less than that of the reactants by $\Delta E/c^{2}$. A nucleus near the peak (iron) can release energy by neither process, which is why the stars' fusion stops at iron.

Calculating the energy released

  1. find the total mass of the reactants.
  2. find the total mass of the products.
  3. mass change $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (positive when energy is released).
  4. energy released $\Delta E = c^{2} \Delta m$.

In kg this gives joules; in atomic mass units use $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$.

Worked example. In a nuclear reaction the total mass decreases by $0.020\ \text{u}$. Find the energy released.

$$\Delta E = \Delta m\ (\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 19\ \text{MeV}.$$

Worked example (fusion). The mass defect of deuterium $^{2}_{1}\text{H}$ is $0.002\,388\ \text{u}$ and that of helium-4 is $0.030\,377\ \text{u}$. Find the energy released when two deuterium nuclei fuse to form one helium-4 nucleus.

Energy released $=$ (binding energy of the products) $-$ (binding energy of the reactants) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). Mass defects can be used directly like this because the number of nucleons is the same on both sides; the difference in the defects is the mass converted. Per kilogram of deuterium this is $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$, about a million times a chemical fuel.

Worked example (fission). $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. Masses: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. Find the energy released.

Reactants: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. Products: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, so $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ per fission. Count the three neutrons on the right and the one on the left: forgetting one changes the answer by a whole nucleon mass.

Worked example (alpha decay and momentum). A stationary $^{238}_{92}\text{U}$ nucleus decays to $^{234}_{90}\text{Th}$ by emitting an $\alpha$-particle; the total kinetic energy released is $4.27\ \text{MeV}$. Find the kinetic energy of the $\alpha$-particle.

Momentum is conserved and the parent was at rest, so the $\alpha$ and the thorium nucleus have equal and opposite momenta $p$. With $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, the energies are in the inverse ratio of the masses: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. So $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ and the thorium recoil 反冲 takes only $0.07\ \text{MeV}$. The $\alpha$-particles from a given decay are all emitted with this one energy, which is the sign that the energy is shared between just two bodies.

Worked example (a radioactive power source). A space probe is powered by $0.874\ \text{kg}$ of plutonium-238, half-life $87.7$ years, each decay releasing $5.59\ \text{MeV}$. Find the power available at launch.

Number of nuclei: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. Decay constant: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. Activity: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. Power $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, falling to half after $87.7$ years. A nuclide with a shorter half-life would give more power per kilogram but would not last the mission; polonium-210 ($138$ days) would be far more powerful at first and useless within two years.

ไทย
หอคอยระบายความร้อนของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์
โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ปล่อยพลังงานผ่านกระบวนการแตกตัวของนิวเคลียส

พลังงานถูก ปลดปล่อย เมื่อนิวเคลียสเคลื่อนที่เข้าหาจุดสูงสุดของเหล็ก — ทั้งโดยการรวมกันของนิวเคลียสเบาหรือการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก

สองวิธีในการปลดปล่อยพลังงานนิวเคลียร์: การหลอมรวมจะเชื่อมนิวเคลียสเบาสองตัวเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว; การแตกตัวจะแบ่งนิวเคลียสหนักหนึ่งตัวออกเป็นนิวเคลียสเบาสองตัว
การหลอมรวมเชื่อมนิวเคลียสเบา; การแตกตัวแบ่งนิวเคลียสหนัก — ทั้งสองกระบวนการปล่อยพลังงานด้วยการเคลื่อนที่เข้าหาจุดสูงสุดของเหล็ก

การหลอมรวมนิวเคลียส

การหลอมรวมนิวเคลียส เชื่อมนิวเคลียสเบาสองตัวเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว:

$$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

ผลิตภัณฑ์มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมากกว่าสารตั้งต้น ดังนั้นจึงมีการปล่อยพลังงาน出来 การหลอมรวมเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานของดวงดาว ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก (หลายล้านเคลวิน) เพื่อให้นิวเคลียสมี พลังงานจลน์ เพียงพอที่จะเอาชนะแรงผลัก อิเล็กโทรสแตติก และเข้ามาใกล้กันเพียงพอสำหรับ แรงนิวเคลียสที่เข้มแข็ง จะเข้าไปทำงานแทน

การแตกตัวของนิวเคลียส

การแตกตัวของนิวเคลียส แบ่งนิวเคลียสหนักออกเป็นนิวเคลียสเบาสองตัว:

$$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

ผลิตภัณฑ์มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่า $^{235}$U ดังนั้นจึงมีการปล่อยพลังงาน นิวตรอนส่วนเกินสามารถก่อให้เกิดการแตกตัวเพิ่มเติมได้ — เกิดเป็น ปฏิกิริยาลูกโซ่ ในมวลเชื้อเพลิงที่มีขนาดใหญ่พอ (มวลวิกฤต) นี่คือพื้นฐานของการผลิตพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธ

"อธิบายความแตกต่างระหว่างการแตกตัวและการหลอมรวม." การแตกตัว: นิวเคลียส หนัก (ค่า $A$ ใหญ่) แตกออกเป็นนิวเคลียส เบากว่า สองตัวที่มีมวลใกล้เคียงกัน โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นหลังจากดูดกลืนนิวตรอนแล้ว ปล่อยนิวตรอนเพิ่มออกมา การหลอมรวม: นิวเคลียส เบา สองตัว (ค่า $A$ เล็ก) รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว ต้องใช้อุณหภูมิและความดันสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักอิเล็กโทรสแตติกระหว่างนิวเคลียส ทั้งสองกระบวนการปล่อยพลังงาน แต่ต่อ كيلোগラムของเชื้อเพลิง การหลอมรวมจะปล่อยพลังงานได้มากกว่า

"อธิบายโดยอ้างอิงจากกราฟ ว่าทำไมถึงมีการปล่อยพลังงานออกมา" ในทั้งสองกระบวนการ ผลิตภัณฑ์จะอยู่ สูงกว่า บนกราฟพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนเมื่อเทียบกับสารตั้งต้น: นิวคลีออนแต่ละตัวจะอยู่ในสภาพที่ผูกพันแน่นขึ้น ดังนั้นพลังงานยึดเหนี่ยวรวมจึง เพิ่มขึ้น พลังงานยึดเหนี่ยวส่วนเกินนี้จะถูกปล่อยออกมา (ในรูปของพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์และโฟตอน) และมวลรวมของผลิตภัณฑ์จะ น้อยกว่า มวลรวมของสารตั้งต้นไป $\Delta E/c^{2}$ นิวเคลียสที่อยู่ใกล้จุดสูงสุด (เหล็ก) ไม่สามารถปล่อยพลังงานได้ด้วยกระบวนการใดกระบวนการหนึ่ง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมการหลอมรวมในดวงดาวจึงหยุดอยู่ที่เหล็ก

ต้นไม้แตกแขนงซึ่งนิวเคลียสยูเรเนียม-235 หนึ่งตัวถูกนิวตรอนทำให้แตกตัวกลายเป็นเศษจากการแตกตัวบวกกับนิวตรอน ซึ่งแต่ละตัวจะไปทำให้นิวเคลียสยูเรเนียม-235 ตัวอื่นๆ แตกตัวต่อไป ทำให้จำนวนการแตกตัวเพิ่มขึ้นคูณด้วยทุกGeneration
ในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่ควบคุมการแตกตัวของยูเรเนียม-235 แต่ละครั้งจะปล่อยนิวตรอนที่ทำให้เกิดการแตกตัวเพิ่มเติม

การคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมา

  1. หาผลรวมมวลของสารตั้งต้น
  2. หาผลรวมมวลของผลิตภัณฑ์
  3. การเปลี่ยนแปลงมวล $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (เป็นบวกเมื่อมีการปล่อยพลังงาน)
  4. พลังงานที่ปล่อยออกมา $\Delta E = c^{2} \Delta m$

หากใช้หน่วยกิโลกรัมจะได้หน่วยจูล; หากใช้หน่วยมวลอะตอมให้ใช้ $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$

ตัวอย่างฝึกฝน. ในการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ มวลลดลงทั้งหมด $0.020\ \text{u}$ จงหาพลังงานที่ปล่อยออกมา

$$\Delta E = \Delta m\ (\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 19\ \text{MeV}.$$

ตัวอย่างฝึกฝน (การหลอมรวม). ความผิดปกติของมวลของดีิวเทอเรียม $^{2}_{1}\text{H}$ คือ $0.002\,388\ \text{u}$ และความผิดปกติของมวลของเฮเลียม-4 คือ $0.030\,377\ \text{u}$ จงหาพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อดีิวเทอเรียนิวเคลียสสองตัวหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสเฮเลียม-4 หนึ่งตัว

พลังงานที่ปล่อยออกมา $=$ (พลังงานยึดเหนี่ยวของผลิตภัณฑ์) $-$ (พลังงานยึดเหนี่ยวของสารตั้งต้น) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). สามารถนำความผิดปกติของมวลมาใช้โดยตรงแบบนี้ได้เนื่องจากจำนวนนิวคลีออนเท่ากันทั้งสองฝั่ง; ส่วนต่างของความผิดปกติคือมวลที่ถูกแปลงไป ต่อكيلोगرامของดีิวเทอเรียมนั้นเท่ากับ $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$ ซึ่งประมาณหนึ่งล้านเท่าของเชื้อเพลิงเคมี

ตัวอย่างฝึกฝน (การแตกตัว). $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. มวล: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. จงหาพลังงานที่ปล่อยออกมา

สารตั้งต้น: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. ผลิตภัณฑ์: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, ดังนั้น $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ ต่อ一次การแตกตัว. นับนิวตรอนสามตัวทางขวาและหนึ่งตัวทางซ้าย: การลืมหนึ่งตัวจะทำให้คำตอบผิดไปทั้งมวลของนิวคลีออนหนึ่งตัว

การสลายตัวอัลฟาของนิวเคลียสยูเรเนียม-238 ที่นิ่งอยู่: หลังจากนั้นนิวเคลียสทอร์เรียม-234 และอนุภาคอัลฟาจะเคลื่อนที่ออกจากกันด้วยโมเมนตัมที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้อนุภาคอัลฟาที่มีมวลเบากว่ามากรับพลังงานจลน์เกือบทั้งหมด
การสลายตัวอัลฟาจากสถานะนิ่ง: โมเมนตัมมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้อนุภาคอัลฟาที่มีมวลเบาพาพลังงานที่ปล่อยออกมาประมาณ 98% และนิวเคลียสหนักแทบไม่มีการดีดกลับ

ตัวอย่างฝึกฝน (การสลายตัวอัลฟาและโมเมนตัม). นิวเคลียส $^{238}_{92}\text{U}$ ที่นิ่งอยู่สลายตัวเป็น $^{234}_{90}\text{Th}$ โดยการปล่อยอนุภาค $\alpha$-particle; พลังงานจลน์รวมที่ปล่อยออกมาคือ $4.27\ \text{MeV}$. จงหาพลังงานจลน์ของ $\alpha$-particle

โมเมนตัมคงที่และสารตั้งต้นอยู่นิ่งอยู่ ดังนั้น $\alpha$ และนิวเคลียสทอร์เรียมจึงมีโมเมนตัม เท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน $p$. ด้วย $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, พลังงานจะเป็นอัตราส่วนผกผันกับมวล: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. ดังนั้น $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ และการดีดกลับของทอร์เรียมจะใช้เวลาเพียง $0.07\ \text{MeV}$. อนุภาค $\alpha$-particles จากการสลายตัวหนึ่งครั้งจะถูกปล่อยออกมาด้วยพลังงานนี้เพียงค่าเดียว ซึ่งเป็นสัญญาณว่าพลังงานถูกแบ่งปันระหว่างวัตถุเพียงสองตัวเท่านั้น

ตัวอย่างฝึกฝน (แหล่งกำเนิดพลังงานกัมมันตรังสี). ยานสำรวจอวกาศใช้พลังจาก $0.874\ \text{kg}$ ของพลูโตเนียม-238 ที่มีครึ่งชีวิต $87.7$ ปี การสลายตัวแต่ละครั้งปล่อย $5.59\ \text{MeV}$. จงหากำลังไฟที่ใช้ได้ในช่วงเวลาเริ่มต้น

จำนวนนิวเคลียส: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. ค่าคงที่การสลาย: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. กิจกรรม: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. กำลัง $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, ลดลงเหลือครึ่งหนึ่งหลังจาก $87.7$ ปี ไนคลีดที่มีอายุขัยครึ่งหนึ่ง สั้นกว่า จะให้กำลังต่อกิโลกรัมมากกว่า แต่จะไม่เพียงพอสำหรับภารกิจ โพลonium-210 ($138$ วัน) จะมีพลังมหาศาลในเริ่มต้นแต่จะไร้ประโยชน์ภายในสองปี

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Nuclear fission chain reaction · ⁨ปฏิกิริยาลูกโซ่การฟิชชันนิวเคลียร์⁩

A neutron splits a heavy nucleus, releasing energy and more neutrons — which split more nuclei. · ⁨นิวตรอนทำให้นิวเคลียสหนักแตก释放出พลังงานและนิวตรอนเพิ่มเติม — ซึ่งนิวตรอนเหล่านั้นก็ทำให้ nuclides อื่นๆ แตกออกอีก⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ ปฏิกิริยาลูกโซ่
critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ มวลวิกฤต
23.2

Radioactive decay · ⁨การสลายตัวทางรังสี⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. understand that fluctuations in count rate provide evidence for the random nature of radioactive decay
  2. understand that radioactive decay is both spontaneous and random
  3. define activity and decay constant, and recall and use $A = \lambda N$
  4. define half-life
  5. use $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
  6. understand the exponential nature of radioactive decay, and sketch and use the relationship $x = x_0 e^{-\lambda t}$, where $x$ could represent activity, number of undecayed nuclei or received count rate
ไทย
  1. เข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงของอัตราการนับเป็นหลักฐานของ ธรรมชาติแบบสุ่ม ของ การสลายตัวทางรังสี
  2. เข้าใจว่าการสลายตัวทางรังสีเป็นทั้ง ** serviço** และ สุ่ม
  3. นิยาม กิจกรรม และ ค่าคงที่การสลายตัว และจำและใช้ $A = \lambda N$
  4. นิยาม ครึ่งชีวิต
  5. ใช้ $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
  6. เข้าใจถึง ลักษณะเอ็กซ์โพเนนเชียล ของการสลายตัวทางรังสี และวาดกราฟและใช้ความสัมพันธ์ $x = x_0 e^{-\lambda t}$ โดยที่ $x$ อาจแทนกิจกรรม จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายตัว หรืออัตราการนับที่ได้รับ

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English
Radioactive decay & half-life

Random and spontaneous

Radioactive decay is:

  • spontaneous 自发 — it happens with no outside trigger, and the rate is not changed by temperature, pressure or chemical state; and
  • random 随机 — you cannot predict when a given nucleus will decay, only the probability that it decays in a time.

Evidence for randomness: the count rate fluctuates. A Geiger counter 盖革计数器 next to a source clicks at uneven intervals — never a steady stream — although the long-run mean rate is well-defined.

The two-mark definitions. Radioactive decay is the spontaneous and random emission of a particle ($\alpha$ or $\beta$) or a photon ($\gamma$) from an unstable nucleus. Spontaneous means the decay is not affected by external factors: temperature, pressure, chemical state, or the presence of other nuclei. Random means it is impossible to predict which nucleus will decay next, or when a given nucleus will decay; only a probability can be given. Evidence for randomness: the count rate fluctuates from one interval to the next, even for a source whose activity is not changing over the experiment.

Activity and decay constant

For $N$ undecayed nuclei of a radionuclide 放射性核素, the rate of decay is

$$A = \lambda N.$$
  • $A$ is the activity 活度 — decays per unit time. Unit: becquerel 贝克勒尔 (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
  • $\lambda$ is the decay constant 衰变常数 — the probability per unit time that a nucleus decays. Unit: $\text{s}^{-1}$.

$\lambda$ is fixed for a nuclide; a larger sample (larger $N$) has proportionally larger activity.

The one-mark definitions. Activity is the number of decays (of nuclei) per unit time, or the rate of decay. The decay constant is the probability per unit time that a (given) nucleus will decay. Not "the rate of decay": that is the activity. Note the units are the same, $\text{s}^{-1}$, but $A$ counts events and $\lambda$ is a probability per second.

Worked example. Fluorine-18 has a half-life of $110$ minutes. Show that its decay constant is $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$, and find the activity of $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ of fluorine-18.

$\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. The number of nuclei is the mass divided by the mass of one nucleus: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. So $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. A tiny mass gives a huge activity because the half-life is short; the same mass of uranium-238 (half-life $4.5 \times 10^{9}$ years) would give about $10^{-5}\ \text{Bq}$.

Exponential decay

Since $\lambda$ is the fractional decay rate, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, whose solution is an exponential decay 指数衰减:

$$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$

Because $A = \lambda N$, the activity (and any count rate 计数率 proportional to it) decays the same way:

$$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$

Why exponential? For each nucleus, $\lambda$ is a fixed probability per unit time, independent of the others and of the nucleus's age. So the same fraction decays in each time interval, which gives exponential decay.

Writing the explanation (three marks). (1) The decay constant is the probability per unit time of decay and is the same for every nucleus of the nuclide, whatever its age. (2) So the rate of decay, the activity, is proportional to the number of undecayed nuclei present: $A = \lambda N$. (3) A rate of change proportional to the quantity itself gives an exponential change; equivalently, the same fraction of the remaining nuclei decays in every equal time interval, so the number never reaches zero but halves in every half-life.

Half-life

The half-life 半衰期 $t_{1/2}$ is the time for the number of undecayed nuclei (or the activity, or the count rate) to fall to half. From $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ with $N = N_{0}/2$:

$$\ln 2 = \lambda t_{1/2}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \approx \frac{0.693}{t_{1/2}}.$$

Worked example. A radioactive isotope has a half-life of $6.0$ hours. Find its decay constant.

Convert the half-life to seconds: $6.0\ \text{h} = 21\,600\ \text{s}$. Then

$$\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{21\,600} \approx 3.2 \times 10^{-5}\ \text{s}^{-1}.$$

A larger decay constant means a shorter half-life. After $n$ half-lives the surviving fraction is $(1/2)^{n}$; after 5 half-lives only about 3% remains.

The definition of half-life. The time taken for the number of undecayed nuclei (or the activity) of a sample to fall to half its initial value. "Half the atoms decay" is accepted; "half the sample disappears" is not, since the decayed nuclei are still there as the daughter product.

Reading a two-isotope graph. When X decays to a stable Y, $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. The half-life is the time at which the curves cross ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), or the time for $N_{\text{X}}$ to halve. If the graph gives the initial number $N_{0}$ and the initial mass $m$, the nucleon number follows from $m = N_{0} A u$: for $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ and $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.

Worked example. A sample of a single radioactive isotope has an activity of $180\ \text{Bq}$ at $t = 0$ and $45\ \text{Bq}$ at $t = 8.4$ minutes. Find the half-life and the decay constant, and the activity after a further $8.4$ minutes.

$45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: two half-lives in $8.4$ minutes, so $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ and $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. After another two half-lives the activity is $45/4 = 11\ \text{Bq}$. When the ratio is not a neat power of two, use $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: for the activity to fall from $180$ to $50\ \text{Bq}$ takes $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. Always convert the half-life to seconds before finding $\lambda$ if the activity is in becquerels.

Finding $\lambda$ from data

Given $A_{0}$ and $A$ at time $t$:

$$\lambda = \frac{1}{t} \ln\frac{A_{0}}{A}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}.$$

Taking logs of $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ gives $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, so a plot of $\ln A$ against $t$ is a straight line with gradient $-\lambda$. Use this with several data points.

Count rate is not activity. A detector records only the radiation that reaches it and is absorbed in it: a fraction set by the solid angle it covers, by absorption in the air and in the source itself, and by its efficiency. So the measured count rate is smaller than the activity, but proportional to it, and the half-life obtained from a count-rate graph is correct. Subtract the background radiation 本底辐射 (measured with the source removed) from every reading before taking ratios or logarithms; an unsubtracted background makes the curve flatten and the half-life appear too long.

Tracers in medicine. Fluorine-18 and oxygen-15 are $\beta^{+}$ emitters used as tracers 示踪剂 in PET scanning (Topic 24): the positron annihilates with an electron, giving two gamma photons that leave in opposite directions and reveal where the tracer is. A short half-life ($110$ minutes, $2$ minutes) is chosen so that the activity falls quickly after the scan and the dose to the patient stays small, at the price of having to make the isotope close to the hospital and use it at once.

ไทย
การสลายตัวทางรังสี & อายุขัยครึ่งหนึ่ง

สุ่มและเกิดขึ้นเอง

การสลายตัวทางรังสีเป็น:

  • เกิดขึ้นเอง — เกิดขึ้นโดยไม่มีการกระตุ้นจากภายนอก และอัตราไม่เปลี่ยนแปลงโดยอุณหภูมิ ความดัน หรือสถานะทางเคมี; และ
  • สุ่ม — คุณไม่สามารถทำนายได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายตัวเมื่อไหร่ สามารถทำได้เพียงบอกความน่าจะเป็นที่จะสลายตัวในช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น

หลักฐานของความสุ่ม: อัตราการนับ มีความผันผวน เครื่องตรวจจับ Geiger ข้างแหล่งกำเนิดจะส่งเสียงคลิกด้วยระยะห่างที่ไม่สม่ำเสมอ — ไม่ใช่กระแสที่ต่อเนื่องกันเสมอไป — แม้ว่าจะมีค่าเฉลี่ยในระยะยาวที่กำหนดไว้ชัดเจนก็ตาม

กราฟแท่งแสดงการนับที่บันทึกได้ในช่วงเวลาสิบวินาทีติดต่อกันสามสิบช่วงจากแหล่งกำเนิดที่ยาวนาน: แท่งแต่ละแท่งมีความผันผวนแบบสุ่มจากช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่งรอบๆ เส้นค่าเฉลี่ยประจุเส้นประที่คงที่
จำนวนการนับในช่วงเวลาเท่ากันจากแหล่งกำเนิดเดียวกันไม่เคยเหมือนกันสองครั้ง: ความผันผวนนี้คือหลักฐานว่ากระบวนการสลายตัวเป็นแบบสุ่ม ในขณะที่ค่าเฉลี่ยที่คงที่แสดงความน่าจะเป็นที่คงที่

นิยามสำหรับสองคะแนน. การสลายตัวทางรังสีคือการปล่อยอนุภาค ($\alpha$ หรือ $\beta$) หรือโฟตอน ($\gamma$) จากนิวเคลียสที่ไม่เสถียรอย่างเกิดขึ้นเองและสุ่ม. เกิดขึ้นเอง หมายความว่า ไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอก: อุณหภูมิ ความดัน สถานะทางเคมี หรือการมีอยู่ของนิวเคลียสอื่น สุ่ม หมายความว่า ไม่สามารถทำนายได้ว่า นิวเคลียสใดจะสลายตัวต่อไป หรือ เมื่อไหร่ นิวเคลียสที่กำหนดจะสลายตัว; สามารถระบุได้เพียงความน่าจะเป็นเท่านั้น หลักฐานของความสุ่ม: อัตราการนับมีความผันผวน จากช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่ง แม้但是对于แหล่งกำเนิดwhoseกิจกรรมไม่เปลี่ยนตลอดการทดลอง

แหล่งกำเนิดทางรังสีภายในห้องไอน้ำ มีเส้นทางอนุภาคเบต้าสีขาวบางๆ จำนวนมากกระจายออกจากแหล่งกำเนิดไปทั่วไอหมอกสีดำ
แต่ละอนุภาคเบต้าจากแหล่งกำเนิดทิ้งร่องบางๆ ในห้องไอน้ำ -- เป็นหลักฐานโดยตรงของการสลายตัวที่เป็นอิสระและสุ่ม

กิจกรรมและค่าคงที่การสลาย

สำหรับ $N$ นิวเคลียสที่ยังไม่สลายของ เรดิโอไนคลีด, อัตราการสลายคือ

$$A = \lambda N.$$
  • $A$ คือ กิจกรรม — จำนวนการสลายต่อหน่วยเวลา หน่วย: เบคเคอเรล (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
  • $\lambda$ คือ ค่าคงที่การสลาย — ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่นิวเคลียสจะสลาย หน่วย: $\text{s}^{-1}$.

$\lambda$ เป็นค่าคงที่สำหรับนิวไคลด์; ตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ($N$ มากขึ้น) จะมี Activity สูงขึ้นตามสัดส่วน

นิยามสำหรับหนึ่งคะแนน. กิจกรรมคือจำนวนการสลาย (ของนิวเคลียส) ต่อหน่วยเวลา หรืออัตราการสลาย ค่าคงที่การสลายคือความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่ (นิวเคลียสที่กำหนด) จะสลายตัว ไม่ใช่ "อัตราการสลาย": นั่นคือกิจกรรม ระวังหน่วยอาจดูคล้ายกัน $\text{s}^{-1}$ แต่ $A$ นับเหตุการณ์และ $\lambda$ เป็นความน่าจะเป็นต่อวินาที

ตัวอย่างวิธีทำ. ฟลูออรีน-18 มีอายุขัยครึ่งหนึ่ง $110$ นาที แสดงให้เห็นว่าค่าคงที่การสลายของมันคือ $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$ และหาค่ากิจกรรมของ $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ ของฟลูออรีน-18

$\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. จำนวนนิวเคลียสคือมวลหารด้วยมวลของนิวเคลียสหนึ่งตัว: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. ดังนั้น $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. มวลน้อยมากๆ ให้กิจกรรมมหาศาลเพราะอายุขัยครึ่งหนึ่งสั้น; มวลเท่ากันของยูเรเนียม-238 (อายุขัยครึ่งหนึ่ง $4.5 \times 10^{9}$ ปี) จะให้ประมาณ $10^{-5}\ \text{Bq}$

การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล

เนื่องจาก $\lambda$ เป็นอัตราการสลายเชิงเศษส่วน, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, ซึ่งมีคำตอบเป็นการ สลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล:

$$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$

เนื่องจาก $A = \lambda N$, กิจกรรม (และอัตราการนับใดๆ ที่แปรผันตรงกับมัน) ก็สลายตัวในรูปแบบเดียวกัน:

$$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$

ทำไมถึงเป็นเอกซ์โพเนนเชียล? สำหรับนิวเคลียสแต่ละตัว, $\lambda$ เป็นความน่าจะเป็นคงที่ต่อหน่วยเวลา ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับตัวอื่นและไม่ขึ้นอยู่กับอายุของนิวเคลียสนั้น ดังนั้นจึงมี สัดส่วน เดียวกันที่สลายตัวในแต่ละช่วงเวลา ซึ่งนำไปสู่การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล

การเขียนคำอธิบาย (สามคะแนน). (1) ค่าคงที่การสลายคือ ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลา ของการสลายและเป็น ค่าเดียวกันสำหรับทุกนิวเคลียส ของไนคลีดนั้น ไม่ว่าจะมีอายุเท่าไหร่ (2) ดังนั้นอัตราการสลาย即กิจกรรม จึง แปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย ที่มีอยู่: $A = \lambda N$. (3) อัตราการเปลี่ยนแปลงที่แปรผันตรงกับปริมาณตัวเองจะให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบ เอกซ์โพเนนเชียล; หรือเทียบเท่ากันได้คือ สัดส่วนเดียวกัน ของนิวเคลียสที่เหลืออยู่สลายตัวในทุกช่วงเวลาเท่ากัน ดังนั้นจำนวนจึงไม่เคยเป็นศูนย์แต่จะลดลงเหลือครึ่งหนึ่งในทุกอายุขัยครึ่งหนึ่ง

อายุขัยครึ่งหนึ่ง

อายุขัยครึ่งหนึ่ง $t_{1/2}$ คือเวลาที่ใช้เพื่อให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย (หรือกิจกรรม หรืออัตราการนับ) ลดลงเหลือ ครึ่งหนึ่ง จาก $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ ด้วย $N = N_{0}/2$:

$$\ln 2 = \lambda t_{1/2}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \approx \frac{0.693}{t_{1/2}}.$$

ตัวอย่างวิธีทำ. ไอโซโทปทางรังสีชนิดหนึ่งมีอายุขัยครึ่งหนึ่ง $6.0$ ชั่วโมง หาค่าคงที่การสลายของมัน

แปลงอายุขัยครึ่งหนึ่งเป็นวินาที: $6.0\ \text{h} = 21\,600\ \text{s}$. จากนั้น

$$\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{21\,600} \approx 3.2 \times 10^{-5}\ \text{s}^{-1}.$$

ค่าคงที่การสลายตัวที่ใหญ่กว่าจะมีความยาวครึ่งชีวิตสั้นกว่า หลังจาก $n$ ความยาวครึ่งชีวิต ส่วนที่เหลืออยู่คือ $(1/2)^{n}$; หลังจาก 5 ความยาวครึ่งชีวิต จะเหลืออยู่เพียงประมาณ 3% เท่านั้น

นิยามของอายุขัยครึ่งหนึ่ง. เวลาที่ใช้ให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย (หรือกิจกรรม) ของตัวอย่างลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าเริ่มต้น "อะตอมครึ่งหนึ่งสลายตัว" ถือรับได้; "ตัวอย่างครึ่งหนึ่งหายไป

กราฟสองเส้นเทียบกับเวลา: จำนวนนิวเคลียสของไอโซโทป X ลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลจาก N0 ในขณะที่จำนวนนิวเคลียสของลูกสาว Y ที่เสถียรเพิ่มขึ้นจากศูนย์; กราฟทั้งสองตัดกันที่ความยาวครึ่งชีวิตหนึ่ง ซึ่งแต่ละเส้นจะมีค่าเป็น N0 หารด้วย 2 และรวมกันเสมอจะได้ N0
แม่สลายตัวกลายเป็นลูกที่เสถียร: X เสียอะไร, Y ได้อะไร, ทำให้กราฟตัดกันหลังจากครึ่งชีวิตหนึ่งรอบ และสามารถอ่านค่าครึ่งชีวิตได้จากจุดตัด

การอ่านกราฟไอโซโทปสองชนิด เมื่อ X สลายตัวเป็น Y ที่เสถียร $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. ครึ่งชีวิตคือเวลาที่กราฟ ตัดกัน ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), หรือเวลาที่ทำให้ $N_{\text{X}}$ ลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง. ถ้ากราฟให้จำนวนเริ่มต้น $N_{0}$ และมวลเริ่มต้น $m$, จำนวนนิวคลีออนหาได้จาก $m = N_{0} A u$: สำหรับ $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ และ $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.

ตัวอย่างวิธีทำ ตัวอย่างของไอโซโทปกัมมันตรังสีชนิดเดียวมีค่ากิจกรรม $180\ \text{Bq}$ ที่ $t = 0$ และมีค่า $45\ \text{Bq}$ ที่ $t = 8.4$ นาที. จงหาครึ่งชีวิตและค่าคงที่การสลายตัว, และกิจกรรมหลังผ่านไปอีก $8.4$ นาที.

$45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: ระยะเวลา 2 ความยาวครึ่งชีวิตใน $8.4$ นาที ดังนั้น $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ และ $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. หลังจากผ่านอีก 2 ความยาวครึ่งชีวิต กิจกรรมจะเหลือ $45/4 = 11\ \text{Bq}$. เมื่ออัตราส่วนไม่ใช่เลขยกกำลังของสองที่สมบูรณ์ ให้ใช้ $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: เพื่อให้อัตราการสลายตัวลดลงจาก $180$ เป็น $50\ \text{Bq}$ ใช้เวลา $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. ต้องแปลงความยาวครึ่งชีวิตเป็น วินาที เสมอก่อนหา $\lambda$ หากกิจกรรมวัดเป็นเบคเคอเรล

กราฟการสลายตัวของกัมมันตรังสี: จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายเทียบกับเวลา เป็นกราฟเอกซ์โพเนนเชียลที่ลดลงโดยจำนวนจะลดเหลือครึ่งหนึ่งในแต่ละครึ่งชีวิตต่อเนื่องกัน, จาก  ไปยัง  ไปยัง  ไปยัง
จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายลดลงเหลือครึ่งหนึ่งในแต่ละครึ่งชีวิต

การหาค่า $\lambda$ จากข้อมูล

กำหนดให้ $A_{0}$ และ $A$ ที่เวลา $t$:

$$\lambda = \frac{1}{t} \ln\frac{A_{0}}{A}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}.$$

การนำลอการิทึมของ $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ จะได้ $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, ดังนั้นกราฟของ $\ln A$ เทียบกับ $t$ จะเป็นเส้นตรงที่มีความชัน $-\lambda$. ใช้สิ่งนี้ร่วมกับข้อมูลหลายจุด.

อัตราการนับไม่เท่ากับกิจกรรม เครื่องตรวจจับบันทึกเฉพาะรังสีที่เข้าถึงและถูกดูดซับในเครื่อง: เป็นสัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับมุมทึบที่เครื่องครอบคลุม, การดูดกลืนในอากาศและในตัวแหล่งกำเนิดเอง,以及ประสิทธิภาพของเครื่อง. ดังนั้นอัตราการนับที่วัดได้จึง น้อยกว่า กิจกรรม, แต่ แปรผันตรงกับ กิจกรรม, และครึ่งชีวิตที่ได้จากกราฟอัตราการนับนั้นถูกต้อง. ให้ลบ รังสีพื้นหลัง (วัดเมื่อไม่มีแหล่งกำเนิด) ออกจากทุกค่าที่วัดก่อนนำ ratios หรือลอการิทึม; การไม่ลบรังสีพื้นหลังจะทำให้กราฟแบนราบลงและทำให้ครึ่งชีวิตดูยาวนานเกินไป.

สารติดตามในทางการแพทย์ ฟลูออรีน-18 และออกซิเจน-15 เป็นตัวปล่อย $\beta^{+}$ ที่ใช้เป็น สารติดตาม ในการสแกน PET (หัวข้อ 24): positron จะเกิดปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน (annihilation), เกิดโฟตอน гамมา 2 ตัวที่พุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อบอกตำแหน่งของสารติดตาม. เลือกใช้ ครึ่งชีวิตสั้น ($110$ นาที, $2$ นาที) เพื่อให้กิจกรรมลดลงอย่างรวดเร็วหลังการสแกนและปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยได้รับน้อยลง โดยแลกมาด้วยการต้องผลิตไอโซโทปใกล้โรงพยาบาลและใช้งานทันที.

กราฟลอการิทึมธรรมชาติของกิจกรรมเทียบกับเวลา: ข้อมูลอยู่ในรูปเส้นตรงที่ลดลงด้วยความชันลบ lambda, ยืนยันการสลายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลและให้ค่าคงที่การสลายตัว
กราฟของ $\ln A$ เทียบกับเวลาจะเป็นเส้นตรงที่มีความชัน $-\lambda$
Explore · ⁨สำรวจ⁩

Decay equations (α, β, γ) · ⁨สมการการสลาย (α, β, γ)⁩

Choose a decay type; the daughter nuclide is fixed so the nucleon number A and the proton number Z both balance. · ⁨เลือกชนิดการสลาย; นิวไคลด์ลูกจะแน่นอนดังนั้นจำนวนนิวคลีออน A และจำนวนโปรตอน Z จะสมดุลกันทั้งสองด้าน⁩

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Half-life — watch the nuclei decay · ⁨ครึ่งชีวิต — สังเกตการสลายตัวของนิวเคลียส⁩

Each nucleus has a fixed chance of decaying, at random. Move time forward: about half the remaining nuclei decay every half-life — so the count halves, then halves again. · ⁨นิวเคลียสแต่ละตัวมีโอกาสสลายตัวที่คงที่และสุ่ม เมื่อเวลาผ่านไป ประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสที่เหลืออยู่จะสลายตัวในแต่ละครึ่งชีวิต — ทำให้การนับลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง แล้วลดลงอีกครึ่งหนึ่ง⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
positron/ˈpɒzɪtrɒn/ โพซิตรอน
neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ นิวทริโน
activity/ækˈtɪvɪti/ กิจกรรม (activity)
count rate/kaʊnt reɪt/ อัตรานับ
Geiger counter/ˈɡaɪɡə ˈkaʊntə/ เกจไกเกอร์
radionuclide/ˌreɪdiəʊˈnjuːklaɪd/ 放射性核素 (email: radionuclide)
becquerel/ˈbekwərəl/ เบคเคอเรล
exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ การลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล
background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ รังสีพื้นหลัง
tracers/ˈtreɪsəz/ สารติดตาม
Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
23.2

Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

English

A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

Term Definition
mass defect the difference between the total mass of the separate nucleons and the mass of the nucleus
binding energy the minimum energy needed to separate a nucleus into its individual nucleons (the energy released when it forms from them)
nuclear fusion two light nuclei combine to form a single heavier nucleus
nuclear fission a heavy nucleus splits into two lighter nuclei of similar mass (usually after absorbing a neutron)
radioactive decay the spontaneous and random emission of α, β or γ radiation from an unstable nucleus
spontaneous not affected by external factors such as temperature, pressure or chemical state
random it cannot be predicted which nucleus will decay, or when a given nucleus will decay
activity the number of nuclei decaying per unit time
decay constant the probability per unit time that a nucleus decays
half-life the time for the number of undecayed nuclei (or the activity) to fall to half its initial value
ไทย

คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

พจน์ นิยาม
มวลเสีย (mass defect) ความแตกต่างระหว่างผลรวมมวลของนิวคลีออนแยกต่างหากกับมวลของนิวเคลียส
พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) พลังงานขั้นต่ำที่ต้องการในการแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนเดี่ยวๆ (พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเมื่อมันเกิดขึ้นจากนิวคลีออนเหล่านั้น)
นิวเคลียร์ฟิวชัน นิวเคลียสเบาสองตัวรวมกันเป็นนิวเคลียสหนักตัวเดียว
นิวเคลียร์ฟิชชัน นิวเคลียสหนักแตกออกเป็นนิวเคลียสเบากว่าสองตัวที่มีมวลใกล้เคียงกัน (มัก发生后จากการดูดกลืนนิวตรอน)
การสลายตัวของกัมมันตรังสี การแผ่รังสี α, β หรือ γ แบบสุ่มและเป็นไปตามธรรมชาติออกจากนิวเคลียสที่ไม่เสถียร
ตามธรรมชาติ (spontaneous) ไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอกเช่น อุณหภูมิ ความดัน หรือสถานะทางเคมี
สุ่ม (random) ไม่สามารถทำนายได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายตัว, หรือเมื่อไหร่นิวเคลียสที่กำหนดจะสลายตัว
กิจกรรม (activity) จำนวนนิวเคลียสที่สลายตัวต่อหน่วยเวลา
ค่าคงที่การสลายตัว (decay constant) ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่นิวเคลียสจะสลายตัว
ครึ่งชีวิต (half-life) เวลาที่ใช้เพื่อให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายตัว (หรือกิจกรรม) ลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าเริ่มต้น
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
half-life/hɑːf laɪf/ ครึ่งอายุ (half-life)
decay constant/dɪˈkeɪ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่การสลาย (decay constant)
random/ˈrændəm/ สุ่ม (random)
spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ เกิดขึ้นเอง
23.2

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

English
  • $E = mc^{2}$ with $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: work in u and MeV for reactions, then convert to joules only if asked ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
  • Energy released $=$ (total mass before $-$ total mass after) $\times c^{2}$, or (binding energy after $-$ binding energy before). Mass defects can be subtracted directly when the nucleon count is unchanged.
  • The curve: steep rise, peak $8.8\ \text{MeV}$ near $A = 56$, gentle fall. Products higher on the curve means energy released; fusion on the left, fission (and α-decay) on the right.
  • Balance every equation twice: nucleon numbers along the top, proton numbers along the bottom; β decays carry a neutrino or antineutrino.
  • $A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ with $t_{1/2}$ in seconds; $N$ from mass: $N = m/(A u)$. Ratios of $1/2$, $1/4$, $1/8$ mean whole half-lives; otherwise $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
  • Explanations are marked on the words: constant probability, rate proportional to number, same fraction per interval; fluctuating count rate for randomness; unaffected by external conditions for spontaneous.

Common mistakes

  • Defining binding energy as "the energy holding the nucleus together" or "the energy stored in the nucleus"; it is the energy to separate the nucleons.
  • Subtracting masses the wrong way round and reporting a negative energy release, or forgetting the neutron(s) on one side of a fission equation.
  • Drawing the binding-energy curve falling as steeply as it rises, or reaching zero at large $A$.
  • Using a half-life in minutes or years with an activity in becquerels; convert to seconds first.
  • Confusing the decay constant (a probability per second) with the activity (decays per second).
  • Saying "half the sample disappears" for a half-life, or that after two half-lives nothing is left.
  • Giving "random" as "it happens at any time" without "cannot predict which nucleus or when", or "spontaneous" without "unaffected by external factors".
  • Treating the count rate as the activity, or forgetting to subtract background.
  • Assuming the α-particle and the recoil nucleus share the energy equally; they share the momentum equally.
ไทย
  • $E = mc^{2}$ กับ $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: ทำงานด้วยหน่วย u และ MeV สำหรับปฏิกิริยา, แล้วแปลงเป็นจูลก็ต่อเมื่อถูกถาม ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
  • พลังงานที่ปลดปล่อย $=$ (มวลรวมก่อน $-$ มวลรวมหลัง) $\times c^{2}$, หรือ (พลังงานยึดเหนี่ยวหลัง $-$ พลังงานยึดเหนี่ยวก่อน). มวลเสียสามารถลบกันได้โดยตรงเมื่อจำนวนนิวคลีออนไม่เปลี่ยนแปลง.
  • กราฟ: ลดลงอย่างรุนแรง, จุดยอด $8.8\ \text{MeV}$ ใกล้กับ $A = 56$, ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป. ผลิตภัณฑ์ที่อยู่สูงบนกราฟหมายความว่ามีการปลดปล่อยพลังงาน; ฟิวชันอยู่ทางซ้าย, ฟิชชัน (และการสลายตัว α) อยู่ทางขวา.
  • สมดุลสมการทุกสมการสองครั้ง: จำนวนนิวคลีออนอยู่ด้านบน จำนวนโปรตอนอยู่ด้านล่าง; การสลายตัว β จะนำนิวตรินోหรือแอนตินิวตรินோมาด้วย
  • $A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ กับ $t_{1/2}$ ใน วินาที; $N$ จากมวล: $N = m/(A u)$. Ratios ของ $1/2$, $1/4$, $1/8$ หมายความว่าผ่านครึ่งชีวิตเต็มรอบ; มิฉะนั้นใช้ $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
  • คำอธิบายจะถูกเน้นคำสำคัญ: ความน่าจะเป็นคงที่, อัตราแปรผันตรงกับจำนวน, สัดส่วนเดียวกันในช่วงเวลา; อัตราการนับที่ fluctuating เพื่อแสดงความสุ่ม; ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาวะภายนอกสำหรับคำว่า spontaneous.

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • นิยามพลังงานยึดเหนี่ยวว่าเป็น "พลังงานที่ยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกัน" หรือ "พลังงานที่เก็บไว้ในนิวเคลียส"; มันคือพลังงานที่ใช้ในการ แยก นิวคลีออนออกจากกัน.
  • การลบมวลผิดด้านและรายงานค่าพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเป็นลบ, หรือลืมนิวตรอน(s) ด้านหนึ่งของสมการฟิชชัน.
  • การวาดกราฟพลังงานยึดเหนี่ยวให้ลดลงรุนแรงเท่ากับที่มันเพิ่มขึ้น, หรือแตะศูนย์ที่ $A$ ขนาดใหญ่.
  • การใช้ครึ่งชีวิตเป็นนาทีหรือปีพร้อมกับกิจกรรมในหน่วยเบคเคอเรล; ต้องแปลงเป็นวินาทีก่อน.
  • สับสนระหว่างค่าคงที่การสลายตัว (ความน่าจะเป็นต่อวินาที) กับกิจกรรม (การสลายตัวต่อวินาที).
  • การบอกว่า "ครึ่งหนึ่งของตัวอย่างหายไป" สำหรับครึ่งชีวิต, หรือบอกว่าหลังจากสองครึ่งชีวิตจะไม่เหลืออะไรเลย.
  • การให้คำตอบว่า "สุ่ม" ว่า "เกิดขึ้นได้ทุกเมื่อ" โดยไม่ระบุ "ไม่สามารถทำนายได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายตัวหรือเมื่อไหร่" หรือการให้คำตอบว่า "แบบ spontaneous" โดยไม่ระบุ "ไม่ได้รับอิทธิพลจากปัจจัยภายนอก"
  • การ treating count rate เป็น activity หรือการลืมลบ background
  • การสมมติว่าอนุภาค α และนิวเคลียสที่ recoiled แบ่งพลังงานเท่ากัน; พวกเขาแบ่ง momentum เท่ากัน
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
recoil/rɪˈkɔɪl/ การดีดกลับ

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩ · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP