nuclear physics - cernatomic/nuclear/particle physics!"กวเคย (nuclear physics)...
TRANSCRIPT
N. Srimanobhas [email protected]
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Main/PhatSrimanobhasTeachingCU
Nuclear Physics
page
๏ Nuclear Physics‣ Atomic/Nuclear/Particle Physics ‣ Some properties of nuclei ‣ Nuclear binding energy ‣ Radioactive decay ➡ Half-life ➡ Alpha decay ➡ Beta decay ➡ Gamma decay ‣ Fission and fusion reactions
2
Contents
page 3
References
page 4
Atomic/Nuclear/Particle Physics
ฟิสิกส์อะตอม (atomic physics) เป็นการศึกษาโครงสร้างของอะตอมทั้งอะตอม (นิวเคลียสและอิเล็กตรอน) การมีอิเล็กตรอนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส การทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปหรือเพิ่มเข้ามา การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอม เป็นต้น การศึกษาในแขนงนี้จะมองนิวเคลียสเป็นเสมือนมวลก้อนใหญ่ก้อนหนึ่งที่มีประจุไฟฟ้า และมีการหมุนรอบตัวเอง ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นรอบ ๆ อะตอมนั้น ๆ โดยจะไม่สนใจสิ่งที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสนั้น ขนาดของสิ่งที่ศึกษานั้นอยู่ในระดับนาโนเมตร (10-9 เมตร)
page 5
Atomic/Nuclear/Particle Physics
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ (nuclear physics) เป็นการศึกษาสมบัติของนิวเคลียสในอะตอมโดยตรง อันตรกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคในนิวเคลียส (โปรตอนและนิวตรอน) ตลอดจนอันตรกิริยาระหว่างนิวเคลียส (ปฏิกิริยานิวเคลียร์) ขนาดของสิ่งที่ศึกษานั้นอยู่ในระดับเฟมโตเมตร (10-15 เมตร) ฟิสิกส์อนุภาค (particle physics) เป็นการศึกษาสมบัติของอนุภาคมูลฐานที่แท้จริงที่ในปัจจุบันเชื่อว่าไม่สามารถตัดแยกอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ให้มีขนาดเล็กลงกว่านี้ได้อีกแล้ว ที่ประกอบกันขึ้นเป็นโปรตอน นิวตรอน และอนุภาคอื่น ๆ ขนาดของสิ่งที่ศึกษานั้นอยู่ในระดับที่น้อยกว่าอัตโตเมตร (10-18 เมตร)
page 6
Some properties of nuclei
การระบุชนิดของอะตอมสามารถระบุได้โดย จำนวนโปรตรอน Z จำนวนนิวตรอน N A = Z + N อิเล็กตรอนจะมีจำนวน Z ตัวเท่ากับโปรตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง
➡ Nuclide: Atom/nucleus with a specific N and Z. ➡ Isotope: Nuclides with the same Z (ธาตุชนิดเดียวกัน สมบัติ
ทางเคมีเหมือนกันทุกประการ). ➡ Isobar: Nuclides with same mass A. ➡ Isotone: Nuclides with same N. ➡ Isomer: Same nuclide (but different energy state).
AZX
ขนาดของนิวเคลียสมีค่าประมาณ
โดย r0 ⇡ 1.2⇥ 10�15 m
femto
r = r0A1/3
page 7
Nuclear binding energy
จากการศึกษาเราพบว่ามวลของนิวเคลียสนั้นมีค่าน้อยกว่าผลรวมของมวลของแต่ละนิวคลีออนเสมอ ดังนั้นค่าพลังงานรวมของนิวเคลียสจะมีค่าน้อยกว่าผลรวมของพลังงานของแต่ละนิวคลีออน ค่าความแตกต่างนี้เรียกว่า Nuclear binding energy ซึ่งสามารถแปลความหมายได้ว่าหากต้องการแยกนิวคลีออนออกจากกัน จะต้องใส่พลังงานนี้ให้กับนิวเคลียส
Eb = [ZM(H) +Nmn �M(AZX)]
⇥931.494 MeV/uEb/A
page 8
Example
จงคำนวณหา Binding energy per nucleon ของ 12050 Sn
Eb = [ZM(H) +Nmn �M(AZX)]
⇥931.494 MeV/u
119.902197 u
1.007825 u(120� 50)(1.008665 u)
Be (or�Ebe) = 1020.5MeV
Be
A(or�Eben) =
1020.5
120
= 8.5MeV
page 9
Example
จงคำนวณหา Binding energy per nucleon ของ และ และจงวิเคราะห์ถึงความแตกต่างของ Binding energy per nucleon ของทั้งสองนิวคลีออนนี้
2311Na
2312Mg
page 10
Example
จงคำนวณหาพลังงานที่น้อยที่สุดสำหรับดึงนิวตรอนออกจาก 4320Ca
page 11
Radioactive decay (การสลายตัวของกัมมันตรังสี)
Radioactive decay เป็นกระบวนการของนิวเคลียสที่ไม่เสถียรเกิดการสูญเสียพลังงานโดยการปล่อย ionizing radiation ธาตุใด ๆ ก็ตามที่มีการสลายปล่อย ionizing radiation ได้ด้วยตัวเอง (spontaneously) ซึ่งรวมถึง alpha particles, beta particles, gamma rays and conversion electrons ถูกเรียกว่ากัมมันตรังสี (Radioactive)
➡ beta particle กับ conversion electron ไม่เหมือนกันอย่างไร
จากการศึกษาเราพบว่า �dN
dt= �N N = N0e
��t
จำนวนนิวเคลียสเมื่อเวลาผ่านไป t
จำนวนนิวเคลียสเมื่อเริ่มต้น
ค่าคงที่การสลายตัว (decay const.)
page 12
Radioactive decay (การสลายตัวของกัมมันตรังสี)
พิจารณาอัตราการสลายตัว R =��dNdt
��
= �N
= �N0e��t
= R0e��t
อัตราการสลายตัวมีหน่วยเป็น Becquerel (Bq) หรือ Curie (Ci) โดยที่ 1 Bq = 1 นิวเคลียสต่อวินาที 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq
page 13
Radioactive decay (half-life)
ช่วงเวลาที่อนุภาคสลายตัวลงจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของตอนเริ่มต้น หรือ ช่วงเวลาที่อัตราการสลายตัวลดลงจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของตอนเริ่มต้น
N0
2= N0e
��T1/2
T1/2 =ln 2
�
page 14
Example
จากการวิเคราะห์หินจากดวงจันทร์พบว่า มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนอะตอมของ (เสถียร) และ (กัมมันตภาพรังสี) คือ 10.3 โดยสมมุติให้ เกิดจากการสลายตัวของ เพียงอย่างเดียว โดยมีค่าครึ่งชีวิตเท่ากับ 1.25 x 109 ปี จงประมาณอายุของหินนี้
Ar40
K40 Ar40
K40
page 15
Example
ในปัจจุบันพบว่าอัตราส่วนระหว่าง และ ในธรรมชาติ คือ 0.0072 จงคำนวณว่าเมื่อ 2 x 109 ปีที่แล้ว อัตราส่วนนี้จะมีค่าเท่าไร เมื่อครึ่งชีวิตเท่ากับ ปี และ ปี
U235 U238
81004.7 × 8107.44 ×
page 16
Radioactive decay (Alpha decay)
page 17
Radioactive decay (Alpha decay)
การที่นิวเคลียสของธาตุเปลี่ยนไปเป็นธาตุอีกชนิหนึ่ง โดยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสของธาตุ He) ออกมา
จงคำนวณพลังงานซึ่งปลดปล่อยระหว่างการสลายตัวแอลฟานี้23892 U !234
90 Th +42 He
page 18
Example
จงแสดงว่าในสภาวะปกติ จะไม่สลายตัวให้โปรตรอน23892 U !234
90 Th +42 He
page 19
Radioactive decay (Beta decay)
ในความเป็นจริงแล้วยังมีอนุภาคอีกหนึ่งตัวที่ถูกปลดปล่อยออกมา เราเรียกว่านิวตริโน โดยที่นิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก ไม่มีประจุ ถูกเสนอโดย W. Pauli และถูกค้นพบในปี 1953
นิวตรอน => โปรตรอน + อิเล็กตรอน
โปรตรอน => นิวตรอน + โพสิตรอน
เวลา
page 20
Radioactive decay (Beta decay)
Frederick Reines(1995 Nobel laureate)
Cowan, Clyde Lorrain
page 21
CERN Neutrino to Gran Sasso (CNGS)
page 22
Radioactive decay (Beta decay)
จงคำนวณพลังงานซึ่งปลดปล่อยระหว่างการสลายตัวเบต้านี้3215P !32
16 S + e� + ⌫
page 23
Radioactive decay (Gamma decay)
การที่นิวเคลียสของธาตุเปลี่ยนสถานะโดยการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีแกมมา) ออกมา
page 24
Fission and fusion reactions
Fission Fusion
ปฎิกิริยาที่นิวเคลียสขนาดใหญ่แตกตัวออกกลายเป็นนิวเคลียสขนาดเล็ก และคายพลังงานออกมา
ปฎิกิริยาที่นิวเคลียสขนาดเล็กรวมตัวกัน กลายเป็นนิวเคลียสขนาดใหญ่ และ
คายพลังงานออกมา
Q = [Mbefore
�Mafter
](931.494MeV/u)
page 25
Fission and fusion reactions
จงคำนวณพลังงานที่เกิดขึ้นจากการแตกตัว 235U ! 140Ce +94 Zr + n
page 26
Strong and Weak interactions
Weak interaction เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนชนิดของอนุภาค (u <=> d)
โปรตรอน เกินมา
Strong interaction เกี่ยวข้องกับการยึดเหนี่ยวของโปรตรอน/นิวตรอนภายในนิวเคลียส (ซึ่งเป็นไปไม่ได้หากพิจารณาแค่ Electromagnetic force) ซึ่งแรงนี้จะแรงกว่า EM force ประมาณ 100 เท่า