ข้ามไปยังเนื้อหา

ฟิสิกส์นิวเคลียร์

Physics IGCSE · หัวข้อ 5

ดูสไลด์ ฝึกฝน
บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้ เปิดหน้าวิดีโอ
15:46

ฟิสิกส์นิวเคลียร์

ทุกสิ่งทุกอย่างรอบตัวคุณประกอบด้วยอะตอม — แต่ในความเป็นจริงแล้ว อะตอมเกือบจะเป็นพื้นที่ว่างทั้งหมด หากนิวเคลียสมีขนาดเท่าลูกบอลมารbles ทั้งอะตอมจะมีขนาด…

การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ

5.1

อะตอม

หลักสูตร

5.1.1 อะตอม

แก่น เพิ่มเติม
1 อธิบายโครงสร้างของอะตอมโดยอ้างอิงถึง นิวเคลียส ที่มีประจุบวก และ อิเล็กตรอน ที่มีประจุลบที่โคจรรอบนิวเคลียส 3 อธิบายว่าการกระจายตัวของอนุภาคอัลฟา ($\alpha$) จากแผ่นโลหะบางรองรับโมเดลนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างไร โดยให้หลักฐานสำหรับ: (ก) นิวเคลียสที่มีขนาดเล็กมากล้อมรอบด้วยพื้นที่ว่างส่วนใหญ่ (ข) นิวเคลียสที่มีมวลส่วนใหญ่ของอะตอม (ค) นิวเคลียสที่มีประจุบวก
2 รู้วิธีที่อะตอมอาจสร้างไอออนบวกโดยการสูญเสียอิเล็กตรอน หรือสร้างไอออนลบโดยการรับอิเล็กตรอน

5.1.2 นิวเคลียส

แก่น เพิ่มเติม
1 อธิบายองค์ประกอบของนิวเคลียสโดยอ้างอิงถึง โปรตอน และ นิวตรอน
6 อธิบายกระบวนการ การแตกตัวนิวเคลียส และ การหลอมรวมนิวเคลียส ว่าเป็นการแยกหรือการรวมกันของนิวเคลียส โดยรวมถึงสมการนิวคลีไดด์และการอธิบายเชิงคุณภาพเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงมวลและพลังงานโดยไม่ระบุค่าตัวเลข
2 ระบุประจุสัมพัทธ์ของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ตามลำดับคือ +1, 0 และ –1
3 นิยามคำว่า เลขอะตอม (proton number) $Z$ และ เลขมวล (nucleon number) $A$ และสามารถคำนวณจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสได้ 7 รู้ความสัมพันธ์ระหว่างเลขอะตอมกับประจุสัมพัทธ์ของนิวเคลียส
8 รู้ความสัมพันธ์ระหว่างเลขมวลกับมวลสัมพัทธ์ของนิวเคลียส
4 ใช้สัญลักษณ์นิวคลีไดด์ $^{A}_{Z}\text{X}$
5 อธิบายความหมายของ ไอโซโทป และระบุว่าธาตุหนึ่งอาจมีไอโซโทปมากกว่าหนึ่งชนิด

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

อะตอม ประกอบด้วย นิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ตรงกลาง และมี อิเล็กตรอน เคลื่อนที่รอบๆ (อยู่ใน วงโคจร เหมือนดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์)

  • นิวเคลียสมี ประจุเป็นบวก
  • อิเล็กตรอนมีประจุลบ
  • อะตอมโดยรวมเป็นกลาง เนื่องจากประจุบวกและประจุลบมีค่าเท่ากัน

มวลเกือบทั้งหมดอยู่ที่นิวเคลียส แต่นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับอะตอมทั้งหมด ดังนั้นอะตอมจึงเป็นพื้นที่ว่างส่วนใหญ่

นิวเคลียสตรงกลางประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรรอบๆ
อะตอมแบบนิวเคลียร์: นิวเคลียสขนาดเล็กหนาแน่นประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน พร้อมอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบๆ

ไอออน

อะตอมเป็นกลาง แต่สามารถรับหรือเสียอิเล็กตรอนเพื่อกลายเป็น ไอออน

  • เสียอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า → เป็นไอออนบวก (ตอนนี้มีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน)
  • รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า → เป็นไอออนลบ

การทดลองการกระเจิงอัลฟา

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

ผลลัพธ์และสิ่งที่บ่งบอก:

  • อนุภาคอัลฟาเกือบทั้งหมดทะลุผ่านตรงไป → อะตอมเป็นพื้นที่ว่างส่วนใหญ่
  • บางส่วนถูก เบี่ยงเบน (โค้ง) ด้วยมุมเล็ก → นิวเคลียสมีประจุบวก ซึ่งผลักอนุภาคอัลฟาที่เป็นบวกออก
  • น้อยมากที่เด้งกลับ aproape ตรงไป → นิวเคลียสมีขนาดเล็กและหนักมาก และเก็บมวลส่วนใหญ่ของอะตอมไว้
อนุภาคอัลฟาถูกยิงเข้าหาแผ่นทองคำ: ส่วนใหญ่ทะลุตรงไป บางส่วนเบี่ยงเบน และน้อยมากที่เด้งกลับ
อนุภาคอัลฟาส่วนใหญ่ทะลุตรงไป; บางส่วนเบี่ยงเบน และน้อยมากที่เด้งกลับจากนิวเคลียสขนาดเล็กหนาแน่น
สำรวจ

ภายในอะตอม

นิวเคลียสเล็กหนาแน่นอยู่ตรงกลางและมีอิเล็กตรอนโคจรรอบๆ — ลากตัวเลขโปรตอนเพื่อดูชั้นโคจรเติมเต็มออกด้านนอก

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
atom/ˈætəm/ อะตอม
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียส
scattering/ˈskætərɪŋ/ การกระจาย
deflected/dɪˈflektɪd/ เบี่ยงเบน
nucleon/ˈnjuːklɪən/ นิวคลีออน (nucleon)
5.1

ภายในนิวเคลียส

นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคสองชนิด รวมกันเรียกว่า นิวคลีออน:

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

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

ตัวเลขสองตัวอธิบายนิวเคลียส:

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

ดังนั้นจำนวนนิวตรอนคือ $A - Z$

เราเขียนนิวเคลียสในรูปแบบ นิวไคลด์:

$$^{A}_{Z}\text{X}$$

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

ไอโซโทป

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

นิวเคลียสคาร์บอนสองชนิด: คาร์บอน-12 ที่มีโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว, คาร์บอน-14 ที่มีโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 8 ตัว
ไอโซโทปของคาร์บอนมีโปรตอนหกตัวเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน จึงเป็นธาตุเดียวกันที่มีมวลต่างกัน

การแตกตัวและการรวมตัวของนิวเคลียส

ในการ แตกตัวนิวเคลียส, นิวเคลียสหนักดูดกลืนนิวตรอนแล้วแตกออกเป็นนิวเคลียสเล็กสองตัว ปล่อยนิวตรอนสองหรือสามตัวและ พลังงานจำนวนมาก:

$$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
นิวตรอนชนกับนิวเคลียส U-235 ซึ่งแตกออกเป็น Ba และ Kr连同更多中子和能量
นิวตรอนทำให้นิวเคลียส U-235 แตกออกเป็นนิวเคลียสเล็กสองตัว ปล่อยนิวตรอนเพิ่มเติมและพลังงาน

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

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

$$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$
นิวเคลียสไฮโดรเจนสองตัวเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างนิวเคลียสฮีเลียมบวกกับนิวตรอนและพลังงาน
ในการรวมตัวทางนิวเคลียร์ นิวเคลียสเบาสองตัวจะรวมตัวเป็นนิวเคลียสที่หนักขึ้น ปล่อยนิวตรอนและพลังงานออกมา — ปฏิกิริยาดี्यूเตอเรียม–ไตรเทียมที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน

ในการแตกตัวและการรวมตัวนิวเคลียส มวลส่วนเล็กน้อยจะหายไปและเปลี่ยนเป็นพลังงาน

หอคอระบายความร้อนขนาดใหญ่สองแห่งของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์ริมแม่น้ำ ปล่อยกลุ่มเมฆไอน้ำสีขาว
โรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์ใช้พลังงานจากการแตกตัวเพื่อผลิตไฟฟ้า; หอคอปล่อยความร้อนทิ้งเป็นไอน้ำ
สำรวจ

ปฏิกิริยาลูกโซ่จากการแตกตัว

นิวตรอนทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมแตกตัว ปล่อยพลังงาน AND นิวตรอนเพิ่มเติม — นิวตรอนเหล่านั้นจะไปทำให้นิวเคลียสอื่นแตกตัวต่อไป และ seterusไป

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
ion/ˈaɪɒn/ ไอออน
alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ อนุภาคอัลฟา
gold foil/ɡəʊld fɔɪl/ แผ่นทองคำ
isotope/ˈaɪsətəʊp/ ไอโซโทป
nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ การแตกตัวของนิวเคลียร์
energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ การหลอมรวมนิวเคลียร์
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ ไฮโดรเจน
helium/ˈhiːlɪəm/ ฮีเลียม
unstable/ʌnˈsteɪbl/ ไม่เสถียร
radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ รังสี
5.2

ความเป็นกัมมันตรังสี

หลักสูตร

5.2.1 Detection of radioactivity

Core Supplement
1 Know what is meant by background radiation
2 Know the sources that make a significant contribution to background radiation including: (a) radon gas (in the air) (b) rocks and buildings (c) food and drink (d) cosmic rays
3 Know that ionising nuclear radiation can be measured using a detector connected to a counter
4 Use count rate measured in counts / s or counts / minute 5 Use measurements of background radiation to determine a corrected count rate

5.2.2 The three types of nuclear emission

Core Supplement
1 Describe the emission of radiation from a nucleus as spontaneous and random in direction
2 Identify alpha ($\alpha$), beta ($\beta$) and gamma ($\gamma$) emissions from the nucleus by recalling: (a) their nature (b) their relative ionising effects (c) their relative penetrating abilities ($\beta^+$ are not included, $\beta$-particles will be taken to refer to $\beta^-$) 3 Describe the deflection of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation in electric fields and magnetic fields
4 Explain their relative ionising effects with reference to: (a) kinetic energy (b) electric charge

5.2.3 Radioactive decay

Core Supplement
1 Know that radioactive decay is a change in an unstable nucleus that can result in the emission of $\alpha$-particles or $\beta$-particles and/or $\gamma$-radiation and know that these changes are spontaneous and random 3 Know that isotopes of an element may be radioactive due to an excess of neutrons in the nucleus and/or the nucleus being too heavy
2 State that during $\alpha$-decay or $\beta$-decay, the nucleus changes to that of a different element 4 Describe the effect of $\alpha$-decay, $\beta$-decay and $\gamma$-emissions on the nucleus, including an increase in stability and a reduction in the number of excess neutrons; the following change in the nucleus occurs during $\beta$-emission neutron $\rightarrow$ proton + electron
5 Use decay equations, using nuclide notation, to show the emission of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation

5.2.4 Half-life

Core Supplement
1 Define the half-life of a particular isotope as the time taken for half the nuclei of that isotope in any sample to decay; recall and use this definition in simple calculations, which might involve information in tables or decay curves (calculations will not include background radiation) 2 Calculate half-life from data or decay curves from which background radiation has not been subtracted
3 Explain how the type of radiation emitted and the half-life of an isotope determine which isotope is used for applications including: (a) household fire (smoke) alarms (b) irradiating food to kill bacteria (c) sterilisation of equipment using gamma rays (d) measuring and controlling thicknesses of materials with the choice of radiations used linked to penetration and absorption (e) diagnosis and treatment of cancer using gamma rays

5.2.5 Safety precautions

Core Supplement
1 State the effects of ionising nuclear radiations on living things, including cell death, mutations and cancer
2 Describe how radioactive materials are moved, used and stored in a safe way 3 Explain safety precautions for all ionising radiation in terms of reducing exposure time, increasing distance between source and living tissue and using shielding to absorb radiation

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

การสลายตัวทางรังสี & อายุขัยครึ่งหนึ่ง

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

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

รังสีพื้นหลัง

รังสีบางส่วนมีอยู่รอบตัวเราตลอดเวลา นี่คือ รังสีพื้นหลัง. แหล่งกำเนิดหลักของ它有:

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

การวัดรังสี

รังสีสามารถวัดได้ด้วย เครื่องตรวจจับ ที่เชื่อมต่อกับ เคาน์เตอร์. อัตราการนับคือจำนวนการนับต่อวินาที (หรือต่อนาฬิกา)

ในการหาอัตราการนับจริงจากแหล่งกำเนิด ให้วัดอัตราการนับพื้นหลังก่อน แล้วลบออก คำตอบคือ อัตราการนับที่ปรับแล้ว:

$$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

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

$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
เครื่องนับเกยเกอร์แบบพกพาพร้อมทิวบ์ตรวจจับและหน้าจอขนาดเล็กที่แสดงอัตราการนับ
เครื่องนับไกรเกอร์แบบพกพารองรับรังสีไอออไนซ์และแสดงอัตราในการนับบนหน้าจอ
สำรวจ

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี

N = N₀·bᵗ

จำนวนนิวเคลียสที่ไม่เสถียร สลายตัว อย่างเอกซ์โพเนนเชียล

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ กัมมันตรังสี
decay/dɪˈkeɪ/ การสลายตัว
spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ เกิดขึ้นเอง
random/ˈrændəm/ สุ่ม (random)
background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ รังสีพื้นหลัง
radon/ˈreɪdɒn/ แก๊skr radon
cosmic rays/ˈkɒzmɪk reɪz/ รังสีคอสมิก
detector/dɪˈtektə/ เครื่องตรวจจับ
counter/ˈkaʊntə/ ตัวอย่าง反驳
count rate/kaʊnt reɪt/ อัตรานับ
corrected/kəˈrektɪd/ แก้ไขแล้ว
ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ การไอออไนซ์
aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ อลูมิเนียม
electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
lead/liːd/ นำ / Lead
penetrating/ˈpenɪtreɪtɪŋ/ ทะลุทะลวง
absorbed/əbˈsɔːbd/ ดูดซับ (absorbed)
beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ อนุภาคเบตา
gamma radiation/ˈɡæmə ˌreɪdɪˈeɪʃn/ รังสีแกมมา
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ สนามไฟฟ้า
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ สนามแม่เหล็ก
stable/ˈsteɪbl/ เสถียร
sample/ˈsæmpl/ ตัวอย่าง
ดูบทเรียน
5.2

รังสีสามประเภท

รังสีอาจเป็นหนึ่งในสามประเภท แต่ละชนิดมีคุณสมบัติ ไอออไนซ์ ซึ่งหมายความว่าสามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมในเส้นทางของมันได้

ประเภท สิ่งที่มันคือ ผลกระทบไอออไนซ์ ถูกกั้นด้วย
แอลฟา (α) นิวเคลียสของฮีเลียม: 2 โปรตอน + 2 นิวตรอน, ประจุ $+2$ _SIM กระดาษแผ่นเดียว หรืออากาศไม่กี่เซนติเมตร
เบตา (β) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็ว, ประจุ $-1$ ปานกลาง อะลูมิเนียมบางๆ幾มิลลิเมตร
กามมา (γ) คลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานสูง, ไม่มีประจุ weakest ตะกั่วหนาหรือคอนกรีต (ถูกลดทอนเท่านั้น ไม่ถูกหยุดนิ่งอย่างสมบูรณ์)

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

รังอัลฟาถูกกั้นด้วยกระดาษ, แร่ตาถูกกั้นด้วยอะลูมิเนียม, รังแกมมาถูกลดทอนเพียงด้วยตะกั่ว
กระดาษหยุดแอลฟา, อะลูมิเนียมไม่กี่มิลลิเมตรหยุดเบตา, และตะกั่วหนากันลดทอนเพียงกามมา

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

การเบี่ยงเบนในสนาม

เนื่องจากอนุภาคแอลฟาและเบตามีประจุ พวกมันจึงถูกเบี่ยงเบนโดย สนามไฟฟ้า และ สนามแม่เหล็ก พวกมันโค้งไปในทิศทาง ตรงข้าม เนื่องจากประจุของพวกมันมีเครื่องหมายตรงข้าม และอนุภาคเบตาที่มีน้ำหนักเบาจะโค้งมากกว่า รังสีแกมมาไม่มีประจุ ดังนั้นจึงไม่ถูกเบี่ยงเบนเลย

อัลฟาเบี่ยงเบนไปทางหนึ่ง, เบตาเบี่ยงเบนไปอีกทาง และกัมมาเคลื่อนที่ตรงระหว่างแผ่นประจุสองแผ่น
อัลฟาและเบตาเบี่ยงเบนในทิศทางตรงกันข้าม; เบตาที่มีมวลเบาจะเบี่ยงเบนมากกว่า ส่วนกัมมาที่ไม่มีประจุจะไม่ถูกเบี่ยงเบน
5.2

สมการการสลายตัว

เมื่อนิวเคลียสสลายตัว จำนวนนิวคลีออนและจำนวนโปรตอนต้องสมดุลทั้งสองฝั่งของสมการ

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

$$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

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

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

$$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

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

การสลายตัวแบบเบตา — ภายในนิวเคลียสนิวตรอนเปลี่ยนสภาพเป็นโปรตอนบวกกับอิเล็กตรอน:

$$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

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

$$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

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

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
orbit/ˈɔːbɪt/ วงโคจร
charge/tʃɑːdʒ/ ประจุไฟฟ้า
mass/mæs/ มวล
proton/ˈprəʊtɒn/ โปรตอน
relative/ˈrelətɪv/ ความสัมพันธ์
neutron/ˈnjuːtrɒn/ นิวตรอน
proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ เลขอะตอม
nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ เลขนิวคลีออน
nuclide/ˈnjuːklaɪd/ นิวไคลด์
5.2

ช่วงครึ่งชีวิต

เนื่องจากกระบวนการสลายตัวเป็นแบบสุ่ม เราไม่สามารถติดตามนิวเคลียสหนึ่งตัวได้ จึงใช้คำอธิบายกลุ่ม ตัวอย่าง ขนาดใหญ่โดยอ้างอิงจากช่วงครึ่งชีวิต

ช่วงครึ่งชีวิต ของไอโซโทปคือระยะเวลาที่ใช้สำหรับนิวเคลียสที่ไม่เสถียรครึ่งหนึ่งของตัวอย่างในการสลายตัว หลังผ่านแต่ละช่วงครึ่งชีวิต อัตราการนับ (หรือจำนวนนิวเคลียสที่ไม่เสถียรที่เหลืออยู่) จะลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง

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

เวลา / ชั่วโมง 0 3 6 9
อัตราการนับ / (จำนวนครั้ง/นาที) 800 400 200 100

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

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

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

กราฟการสลายตัวของอัตราการนับตามเวลา โดยลดลงครึ่งหนึ่งทุกครึ่งชีวิต
ทุกครึ่งชีวิต $T$ อัตราการนับจะลดลงครึ่งหนึ่ง: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
สำรวจ

ครึ่งชีวิต — สังเกตการสลายตัวของนิวเคลียส

นิวเคลียสแต่ละตัวมีโอกาสสลายตัวที่คงที่และสุ่ม เมื่อเวลาผ่านไป ประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสที่เหลืออยู่จะสลายตัวในแต่ละครึ่งชีวิต — ทำให้การนับลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง แล้วลดลงอีกครึ่งหนึ่ง

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
half-life/hɑːf laɪf/ ครึ่งอายุ (half-life)
smoke alarm/sməʊk əˈlɑːm/ เครื่องเตือนควัน
bacteria/bækˈtɪərɪə/ แบคทีเรีย
sterilise/ˈsterəlaɪz/ sterilise
medical tracer/ˈmedɪkl ˈtreɪsə/ ตัวติดตามทางการแพทย์
cancer/ˈkænsə/ cancer
living cells/ˈlɪvɪŋ selz/ เซลล์มีชีวิต
mutation/mjuːˈteɪʃn/ mutation
dose/dəʊs/ ปริมาณ (dose)
exposure/ekˈspəʊʒə/ exposure
shielding/ˈʃiːldɪŋ/ การป้องกันประจุ
5.2

การประยุกต์ใช้กัมมันตรังสี

ไอโซโทปที่เลือกใช้สำหรับงานต่างๆ ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสีและครึ่งชีวิต:

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

ผู้ป่วยที่ถูกยึดให้นิ่งด้วยหน้ากากตาข่ายอยู่ใต้เครื่องรักษามะเร็ง ด้วยเลเซอร์จัดตำแหน่งสีเขียวตัดกันบนหน้ากาก *การรักษามะเร็งด้วยรังสี: หน้ากากตาข่ายช่วยยึดผู้ป่วยให้อยู่กับที่ ในขณะที่เลเซอร์จัดตำแหน่งชี้รังสีแกมมาเข้าสู่เนื้องอกได้อย่างแม่นยำเพื่อรักษาโรคมะเร็ง

5.2

ความปลอดภัย

รังสีไอออนไนซ์ทำลาย เซลล์มีชีวิต อาจทำให้เกิดการตายของเซลล์ การกลายพันธุ์ (การเปลี่ยนแปลงในยีน) และมะเร็ง

เมื่อทำงานกับแหล่งกัมมันตรังสี ให้รักษา ปริมาณรังสีที่รับได้ (ปริมาณรังสีที่ได้รับ) ให้ต่ำโดย:

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

แหล่งกัมมันตรังสีควรใช้แหนบจับ (ไม่ใช้มือเปล่า) จัดให้ปลายชี้ไปทางคนและเก็บไว้ในกล่องบุตะกั่ว

5.2

ข้อแนะนำสำหรับการสอบ

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

บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้

ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที

ข้อสอบย้อนหลัง

หัวข้อเพิ่มเติมใน Physics IGCSE

เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี

IGCSE, A-Level & AP