วิชา ฟส 341 วิทยาศาสตรและเทคโนโลยีนิวเคลียรเบื้องตน

อ.ดร. กิตติคุณ พระกระจาง

ปรับปรุงลาสุด 12/07/2018

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน I

บทที่ 1 สมบัติของนิวเคลียสบทนำองคประกอบของนิวเคลียสแรงภายในนิวเคลียสมวลของนิวเคลียสขนาดของนิวเคลียสพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียส

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน IIการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสี

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

ผลลัพธการเรียนรู (Learning Outcome)

ผูเรียนสามารถ...I นิยามศัพททางเทคนิคเกี่ยวกับการสลายตัวของกัมมันตรังสีไดI อธิบายความเชื่อมโยงความสัมพันธระหวงศัพททางเทคนิคของ

นิวเคลียสไดI สามารถระบุและเปรียบเทียบเสถียรภาพของนิวเคลียสแตละชนิดไดI สามารถคำนวณหาคาที่เกี่ยวของกับคาการสลายตัวกับครึ่งชีวิตไดI สามารถอธิบายกระบวนการสลายตัวของรังสีชนิดตาง ๆ ไดI คนควาหาความรูเพิ่มเติมจากแหลงเรียนรูภายนอกหองเรียนไดI ถายทอดและอธิบายสิ่งที่ไดเรียนรูมาใหกับผูอื่นได

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

ผูคนพบกัมมันตภาพรังสี

Henri Becquerel

เฮนรี่ เบคเคอเรล นักฟสิกสชาวฝรั่งเศสเปนผูคนพบกัมมันตภาพรังสีโดยบังเอิญ โดยพบวามีรังสีที่มองไมเห็นสามารถทำใหฟลมถายรูปเกิดรอยไดโดยไมโดนแสง

การแผรังสีของธาตุกัมมันตรังสีเหลานี้เกิดขึ้นในไอโซโทปของธาตุที่มีจำนวนนิวตรอนมากกวาจำนวนโปรตอนมาก ทำใหนิวเคลียสของธาตุไมเสถียรจึงตองมีการเปลี่ยนแปลงไปเปนธาตุที่มีความเสถียรมากขึ้น

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

กัมมันตภาพรังสี

กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) คือ ปรากฎการณการเลื่อมสลายดวยตนเองของนิวเคลียสของอะตอมที่ไมเสถียร เปนผลใหเกิดอนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา และรังสีแกมมา ซึ่งเปนคลื่นแมเหล็กไฟฟาที่มีชวงคลื่นสั้นมากและมีพลังงานสูง

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

เสถียรภาพของนิวเคลียส

20

40

20 40 60 80

60

80

100

120

130

0 70 905010

10

30

50

70

90

110

30

Neu

tro

n n

um

ber,

N

Atomic number, Z

N = Z

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

แผนภาพนิวตรอน-โปรตอน (Neutron-Proton diagram)

Z=20

Z=28 Z=28

Z=50 Z=50

Z=82 Z=82

N=

20

N=

28

N=

28

N=

50

N=

50

N=

82

N=

82

N=

126

N=

126

Z=20

N

Z

β

nucleon emission

spontaneous fission

α

last neutron unbound

half−life> 10

protonunbound

last

8 yr

decay

decayA=100

A=200

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

เสถียรภาพของนิวเคลียส

235 U

208 Pb

138Ba

16O

56Fe62Ni 88Sr

4He

28Si

7.0

9.0

8.0

0 50 100 150 200 250

A

B/A

(M

eV

)

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

เสถียรภาพของนิวเคลียส

2 H

3He

4 He 8Be

12C16O

20Ne

3 H

28Si24Mg

0A

28242084 1612

8

6

4

2

B/A

(M

eV

)

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัว

100

50

25

136

pe

rce

nta

ge

of

pa

ren

t is

oto

pe

re

ma

inin

g

0 1 2 3 4

nuclide (red) nuclide (grey)

number of half-lifes

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวการสลายตัว (Radioactive decay) เปนกระบวนการแบบสุมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ไมสามารถคาดการณไดวาเมื่อไรที่อะตอมหนึ่ง ๆ จะสลายตัวหากให N คือ จำนวนนิวเคลียสของอะตอมธาตุกัมมันตรังสี ณ เวลาหนึ่ง อัตราการเปลี่ยนแปลงจำนวนนิวเคลียส จะมีคาเทากับ

dNdt = −λN

โดย λ คือ คาคงที่การสลายตัว (decay constant) และจากสมการอัตราการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส จะไดวา

dNN = −λdt

ทำการอินทิเกรต จะได

N = N0e−λt

โดย N0 คือ จำนวนนิวเคลียสที่ยังไมสลายตัว ณ เวลา t = 0

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัว

N(t)

N0

N0

N0

12

14

t

N N0e– t

T1/2 2T1/2

อัตราการสลายตัว (decay rate) คือ จำนวนครั้งการสลายตัวตอวินาที สามารถเขียนไดเปน

R = |dNdt | = λN

โดย R มักจะถูกใชแทนดวย กัมมันตภาพ (activity,A) และสามารถเขียนไดเปน

A = λN

คำถามชวนคิดหนวยของคาคงที่การสลายตัวและกัมมันตภาพ คืออะไร ?

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หนวยของกัมมันตภาพ

หนวยที่นิยมใชกันของคากัมมันตภาพ มี 2 หนวย ไดแก1. แบคเคอเรล (Bq)2. คูรี (Ci)

โดย 1 Ci = 3.7× 1010 Bq

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

ครึ่งชีวิต

ครึ่งชีวิต (half-life, T1/2) คือ ชวงเวลาระหวางที่มีการสลายตัวไปของนิวเคลียสไดครึ่งหนึ่งจากของนิวเคลียสเดิมในการหาสมการครึ่งชีวิต เราสามารถแทนคาจำนวนนิวเคลียสที่ลดลงไปครึ่งจากเริ่มตน (N = N0

2) และเวลา t = T1/2 ลงในสมการ

N = N0e−λt จะไดวา

T1/2 = ln 2λ

คำถามชวนคิดสมการครึ่งชีวิตสามารถหาไดอยางไร

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

ตัวอยางที่ 2.1

คารบอน-14 เปนสารกัมมันตรังสี มีคาครึ่งชีวิต 5,730 ป ถาสารตัวอยางชนิดหนึ่งมีปริมาณคารบอน-14 จำนวน 1,000 นิวเคลียส เมื่อเวลาผานไป 25,000 ป จะเหลือปริมาณนิวเคลียสของคารบอน-14จำนวนเทาใด

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

ตัวอยางที่ 2.2

ไอโอดีน-131 มีคาครึ่งชีวิต 8.04 วัน มีคากัมตภาพเริ่มตน 5.0 มิลลิคูรีหลังจากเวลาผานไป คากัมตภาพลดลงเหลือ 2.1 มิลลิคูรี จงหาชวงเวลาที่ผานไป

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

หัวขอการสอน

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธการเรียนรูกัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

รังสีจากกระบวนการสลายตัว

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี มีโอกาสแผรัสีออกมาเปนอนุภาคหรือ/และคลื่นแมเหล็กไฟฟาตาง ๆ ดังนี้I แอลฟาI บีตาI แกมมาI นิวตรอน

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

แรงพื้นฐานในธรรมชาติ

แรง ทฤษฎี สื่อกลาง ความแรงสัมพัทธ พิสัย (เมตร)

โนมถวง GR glavitons 1 ∞

แมเหล็กไฟฟา QED photons 1036 ∞

นิวเคลียรอยางออน EWT W & Z bosons 1025 10−18

นิวเคลียรอยางแข็ง QCD gluons 1038 10−15

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

≈2.2 MeV/c ≈1.28 GeV/c ≈173.1 GeV/c

≈4.7 MeV/c ≈96 MeV/c

≈105.66 MeV/c

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวใหรังสีแอลฟา (Alpha decay)

เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีทั้งโปรตอนและนิวตรอนมากเกินไปทำใหเกิดการสลายตัวใหฮีเลียมอะตอมหรือรังสีแอลฟา กรณีนี้จะเกิดในสารที่มีมวลอะตอมสูง ดังนั้นอะตอมจะมีเลขอะตอมลดลง 2 และมวลอะตอมลดลง 4 ดังสมการ

AZX →

A−4Z−2Y +

4

2He

ตัวอยางการสลายตัวใหอนุภาคแอลฟา ไดแก238

92U → 234

90Th + 4

2He

226

88Ra → 222

86Rn + 4

2He

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวใหรังสีแอลฟา

I เปนกระบวนการที่นิวเคลียสพอสลายตัวเปนนิวเคลียสลูกI โดยใหอนุภาคอัลฟาซึ่งเปนนิวเคลียสของฮีเลียมที่มีพลังงานสูง

(≈ 5 MeV)I การสลายตัวอัลฟาในธรรมชาติเกิดกับการสลายตัวของธาตุที่

หนักกวาดีบุก (50Sn)

I เปนผลจากแรงผลักคูลอมบ (Coulomb repusion)คำถามชวนคิด เพราะเหตุใด การสลายตัวอัลฟาในธรรมชาติจึงเกิดกับการสลายตัวของธาตุที่หนักกวาดีบุก

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

สมบัติของรังสีแอลฟา

I รังสีแอลฟา คือ นิวเคลียสของธาตุฮีเลียมI มีมวล 4uI มีประจุ +2I การทะลุทะลวงต่ำI มีความสามารถในการแตกตัวเปนประจุสูง

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวใหรังสีบีตา (Beta decay)

เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีนิวตรอนมากหรือนอยเกินไปทำใหเกิดการสลายตัวใหรังสีบีตาหรือโพซิตรอน ดังสมการ

AZX →

AZ+1Y +

0

−1e + ν̄eAZX →

AZ−1Y +

0

1e + νe

ตัวอยางการสลายตัวใหอนุภาคบีตาและโพซิตรอน ไดแก14

6C → 14

7N + 0−1e + ν̄e

12

7N → 12

6C + 0

1e + νe

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวใหรังสีบีตา

จากปฏิกิริยาการสลายตัวใหอนุภาคบีตาAZX →

AZ+1Y +

0

−1e + ν̄e

อนุภาคนิวตรอนในนิวเคลียสจะสลายตัวไปเปนโปรตอน1

0n → 1

1p + 0−1e + ν̄e

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

แผนภาพไฟนแมนของการสลายตัวใหรังสีบีตา (Feynman diagram of electronemission)

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวใหโพซิตรอน

จากปฏิกิริยาการสลายตัวใหโพซิตรอนAZX →

AZ−1Y +

0

+1e + νe

อนุภาคโปรตอนในนิวเคลียสจะสลายตัวไปเปนนิวตรอน1

1p → 1

0n + 0

1e + νe

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

แผนภาพไฟนแมนของการสลายตัวใหโพซิตรอน (Feynman diagram of positronemission)

t

e

W

du d

uu d

p

nνe

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

สมบัติของรังสีบีตา

I รังสีบีตา คือ อิเล็กตรอนI มีมวล 0.001uI มีประจุ -1I การทะลุทะลวงปานกลางI มีความสามารถในการแตกตัวเปนประจุปานกลาง

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การสลายตัวใหรังสีแกมมา

เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสอยูในสถานะที่ไมเสถียรทำใหเกิดการสลายตัวใหรังสีแกมมา ดังสมการ

AZX∗ →

AZY +

0

0γ

ตัวอยางการสลายตัวของ Co-6060

27Co → 60

28Ni∗ + 0−1e + ν̄e +

0

0γ

60

28Ni∗ → 60

28Ni + 0

0γ

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

Electron-Positron AnnihilationTime

Space

γ γ

e- e+

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

สมบัติของรังสีแกมมา

I รังสีแกมมา คือ โฟตอน หรือ คลื่นแมเหล็กไฟฟาI ไมมีมวลI ไมมีประจุI การทะลุทะลวงสูงI มีความสามารถในการแตกตัวเปนประจุต่ำ

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

สีงรังอขงวละทุละทรากจานําอ

ามมกแสีงัร

าตีบสีงัร

าฟลอแสีงัร

แผน่กระดาษแผน่อะลูมิเนียมหนา 6 มม.

แผน่ตะกั!วหรือแผน่คอนกรีตหนา

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

สรุปสมบัติของรังสี

สมบัติบางประการของรังสีรังสี สัญลักษณ มวล ประจุ การทะลุทะลวง การแตกตัว

แอลฟา α 4u +2 ต่ำ สูง

บีตา e− 0.001u -1 ปานกลาง ปานกลาง

แกมมา γ 0 0 สูง ต่ำ

นิวตรอน n 1u 0 สูงมาก ต่ำมาก

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

การบานครั้งที่ 2

อ.ดร. กติตคิุณ พระกระจ่าง

สาขาวชิาฟิสกิส์ประยุกต์

คณะวทิยาศาสตร์ มหาวทิยาลัยแม่โจ้

บทที่ 2 การสลายตัวของกัมมันตรังสีผลลัพธ์การเรียนรู้กัมมันตภาพรังสีเสถียรภาพของนิวเคลียสการสลายตัวครึ่งชีวิตกระบวนการสลายตัว