ฟิสิกส์

การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

สร้างเมื่อ 25 เม.ย. 2555 15:34:35

ระดับม.6
2,992 view

การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ พบว่า เวลามีการแผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้นเสมอ เช่น เมื่อทอเรียมปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็นเรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอมน้อยกว่าธาตุทอเรียมเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาโดยประมาณ นอกจากนี้ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสของเรเดียมก็มีค่าน้อยกว่านิวเคลียสของทอเรียมเท่ากับ 2e ด้วย เนื่องจากมวลอะตอมของธาตุๆต่างๆ มีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียส ทั้งนี้เพราะมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงมวลอะตอมจึงเป็นผลมาจากการเปลี่ยนมวลของนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคแอลฟาเกิดจากการเปลี่ยนนิวเคลียสของทอเรียมไปเป็นเรเดียม

ในกรณีการแผ่รังสีบีตา เช่น ตะกั่วเมื่อปล่อยอนุภาคบีตาออกมาจะกลายเป็นบิสมัท ซึ่งประจุของนิวเคลียสก็จะเพิ่มขึ้น 1e แต่มีมวลใกล้เคียงกัน อิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาที่ออกมานี้มีพลังงานจลน์มากเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคบีตาไม่ใช่อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส นั่นคือ อนุภาคบีตานี้เกิดจากผลการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส

สำหรับการแผ่รังสีแกมมานั้นเราพบว่า รังสีแกมมามีพลังงานสูงเกินกว่าที่จะเป็นพลังงานที่ได้จากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม จึงกล่าวได้ว่า รังสีทั้งสามชนิดเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ด้วยเหตุที่ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ดังนั้นการศึกษากัมมันตภาพรังสีจะทำให้รู้องค์ประกอบของนิวเคลียสได้

องค์ประกอบของนิวเคลียส

จากการที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีบางชนิดปล่อยอนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบีตาออกมา ทำให้นักวิทยาศาสตร์

คิดว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคทั้งสองชนิดรวมกันอยู่ แนวคิดนี้ต้องล้มเลิกไป เพราะมวลของนิวเคลียสทั้งหลายมิได้เป็นจำนวนเต็มเท่าของมวลของอนุภาคแอลฟา นอกจากนี้นิวเคลียสของธาตุบางธาตุยังมีมวลน้อยกว่ามวลของอนุภาคแอลฟาเสียอีก เช่น นิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน เป็นต้น

เนื่องจากนิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสที่เบาที่สุด ดังนั้นนิวเคลียสของไฮโดรเจนจึงอาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่างๆได้ แนวคิดนี้ได้รับการสนับสนุนโดยรัทเทอร์ฟอร์ดหลังจากที่รัดเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนกับนิวเคลียสของไนโตรเจน และพบว่ามีนิวเคลียสของออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดขึ้นดังรูป 20.4 เขาจึงเสนอให้เรียกนิวเคลียสของไฮโดรเจนว่า โปรตอนและจากการที่ธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุมีการปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนออกมา ทำให้นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่า อิเล็กตรอนก็อาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่างๆได้เช่นกัน ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการตั้ง สมมติฐานของโปรตอน-อิเล็กตรอนว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน เช่น ลิเทียมซึ่งมีมวลอะตอมประมาณ 7 เท่าของมวลโปรตอน และมีประจุบวกเท่ากับขนาดประจุของอิเล็กตรอน 3 ตัว ดังนั้นนิวเคลียสของลิเทียมจึงควรประกอบด้วยโปรตอน 7 ตัว และอิเล็กตรอน 4 ตัว อยู่ในนิวเคลียส จึงทำให้นิวเคลียสของธาตุมีประจุ +3e

สมมติฐานโปรตอน - อิเล็กตรอนสามารถอธิบายการแผ่รังสีแอลฟาได้ กล่าวคืออนุภาคแอลฟาเกิดจากการรวมตัวกันระหว่างโปรตอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว แล้วหลุดออกมาจากนิวเคลียส ส่วนการแผ่รังสีบีตานั้นเกิดจากการปล่อยอิเล็กตรอนในนิวเคลียสออกมา แต่จากหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์กข้อมูลนี้ชี้ให้เห็นว่า อิเล็กตรอนจะอยู่ในนิวเคลียสไม่ได้ เพราะถ้าอิเล็กตรอนอยู่ได้ พลังงานของอิเล็กตรอนจะสูงจนนิวเคลียสไม่สามารถกักขังอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์ของนิวเคลียสอีกหลายเรื่องที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยสมมติฐานนี้ จึงทำให้ต้องยกเลิกสมมติฐานนี้ไป

รูป 20.4 การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของไนโตรเจนเนื่องจากการยิงด้วยอนุภาคแอลฟา

การพบนิวตรอน

จากหัวข้อที่แล้วทราบว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในนิวเคลียส แต่จากการที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีสามารถปล่อยอิเล็กตรอนหรือแผ่รังสีบีตาออกมานั้น ทำให้เกิดความสงสัยในหมู่นักฟิสิกส์ว่าอิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีได้อย่างไร ในปี พ.ศ.2463 รัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอความเห็นเกี่ยวกับชนิดของอนุภาคในนิวเคลียสว่า อิเล็กตรอนและโปรตรอนในนิวเคลียสอาจรวมตัวกันเป็นอนุภาคที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งเขาเรียกว่า นิวตรอน นักฟิสิกส์ในสมัยนั้นจึงได้พยายามค้นหาอนุภาคนิวตรอน แต่ก็มีอุปสรรคมากมายและปัญหาใหญ่ก็คือไม่มีแหล่งกำเนิดนิวตรอนในธรรมชาติ และวิธีการตรวจสอบอนุภาคที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักในขณะนั้นอาศัยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งใช้ได้เฉพาะกับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่านั้น

- ทำไมจึงไม่สามารถใช้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าในการตรวจสอบอนุภาคนิวตรอน

จากการที่รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถทำให้นิวเคลียสของธาตุเกิดการเปลี่ยนสภาพในห้องปฏิบัติการ โดยการยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนนิวเคลียสของไนโตรเจนแล้ว ทำให้มีโปรตอนหลุดออกมา การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสนี้มิได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติดังที่แบ็กเกอเรลค้นพบ ในเวลาต่อมานักฟิสิกส์จึงสนใจการเปลี่ยนแปลงแบบนี้มาก และได้ศึกษาการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสลักษณะนี้อย่างกว้างขวาง ตัวอย่างหนึ่งได้แก่ การทดลองยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุเบริลเลียม ซึ่งพบว่ามีการปล่อยรังสีที่มีสมบัติคล้ายรังสีแกมมาออกมา ในระยะแรกนักฟิสิกส์เข้าใจว่ารังสีนี้เป็นรังสีแกมมา เพราะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า และสามารถทะลุผ่านวัตถุ เช่น อิฐ หรือแผ่นโลหะหนาๆได้ดีมาก อย่างไรก็ตามได้มีการพบว่ารังสีนี้มีพลังงาน 10 MeV ซึ่งมากกว่าพลังงานของรังสีแกมมาที่พบในสารกัมมันตรังสีและเมื่อให้รังสีนี้กระทบพาราฟินซึ่งเป็นสารที่ประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนก็พบว่ามีโปรตอนพลังงาน 5 MeV กระเด็นหลุดออกจากพาราฟิน แต่จากการคำนวณโดยอาศัยกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎการอนุรักษ์พลังงานกลับพบว่า ถ้ารังสีที่กระทบพาราฟินเป็นรังสีแกมมา พลังงานของรังสีนี้ต้องมีค่ามากถึง 50 MeV จึงจะทำให้ได้โปรตอนที่มีพลังงาน 5 MeV เหตุผลดังกล่าวจึงแสดงว่ารังสีที่ได้จากการยิงอนุภาคแอลฟาให้พุ่งชนนิวเคลียสของเบริลเลียมไม่ใช่รังสีแกมมา

รูป 20.5 แชดวิก

Sir James Chadwick (พ.ศ. 2434-2517) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2478 จากผลงานการค้นพบอนุภาคนิวตรอน ในช่วงที่มีการค้นพบนี้แชดวิกกำลังทำงานกับรัทเทอร์ฟอร์ด

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ แชดวิก ได้วิเคราะห์ผลการทดลองดังกล่าวและเสนอความคิดว่ารังสีที่ออกมานั้นน่าจะเป็นอนุภาคนิวตรอน จากนั้นแชดวิกก็ได้ทำการศึกษาการชนระหว่างอนุภาคที่เขาคิดว่าเป็นนิวตรอนกับพาราฟิน เพื่อวัดความเร็วของโปรตอนที่กระเด็นหลุดออกมา และในทำนองเดียวกันก็ได้ให้อนุภาคที่คิดว่าเป็นนิวตรอนนี้วิ่งพุ่งชนนิวเคลียสของไนโตรเจนแล้ววัดความเร็วของนิวเคลียสของไนโตรเจนที่ถูกชน เมื่อแชดวิกสมมติว่าการชนเป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ แล้วใช้กฎอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎการอนุรักษ์พลังงานเพื่อคำนวณหามวลของอนุภาคดังกล่าวพบว่ามีค่าใกล้เคียงมวลของโปรตอนมาก เขาจึงสรุปว่าอนุภาคที่ได้จากการชนกันของอนุภาคแอลฟาและเบริลเลียม คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งผลของการศึกษานี้เป็นการสนับสนุนความคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่า มีอนุภาคนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียส

รูป 20.6 แสดงแผนภาพการทดลองของแชดวิก

เมื่อแชดวิกพบอนุภาคนิวตรอนแล้ว ได้มีการตั้งสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนิวเคลียสใหม่เรียก สมมติฐานโปรตอน-นิวตรอน ว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอนุภาคนิวตรอน รวมเรียกอนุภาคซึ่งเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสว่า นิวคลีออน และเรียกผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสว่า เลขมวล และเรียกจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสว่า เลขอะตอม

เลขมวลของธาตุเป็นเลขจำนวนเต็มที่มีค่าใกล้เคียงมวลอะตอมของธาตุนั้นมาก เช่น ธาตุยูเรเนียมที่มีเลขมวล 238 มีมวลอะตอมเท่ากับ 238.05u และนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมนี้มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเท่ากับ 238 สำหรับเลขอะตอมนั้นนอกจากเป็นตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนที่มีในนิวเคลียสแล้ว ตัวเลขนี้ยังบอกประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสด้วย เช่น ในกรณีของยูเรเนียมซึ่งเลขอะตอมมีค่าเท่ากับ 92 นิวเคลียส จะมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ +92e เป็นต้น

นักฟิสิกส์ได้กำหนดให้เขียนสัญลักษณ์นิวเคลียสของธาตุ X ที่มีเลขมวล A และเลขอะตอม Z เป็น $\displaystyle {}_Z^A X$ เช่น $\displaystyle {}_92^238 U$ เป็นสัญลักษณ์ของธาตุยูเรเนียมที่มีโปรตอน 92 ตัว หรือมีประจุไฟฟ้า +92e และผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเป็น 238 นั่นคือมีนิวตรอน 146 ตัว ในบางครั้งเราอาจเขียนสัญลักษณ์นี้อย่างย่อเป็น X - A ก็ได้ เช่น U - 238 เป็นต้น

ในทำนองเดียวกันเราสามารถใช้สัญลักษณ์นี้กับอนุภาคได้ เช่น อนุภาคแอลฟาหรือนิวเคลียสของฮีเลียมมีเลขมวลเท่ากับ 4 และมีเลขอะตอมเท่ากับ 2 จึงเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น $\displaystyle {}_2^4 He$ ส่วนในกรณีของอนุภาคบีตา จะเขียนสัญลักษณ์เป็น ซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้า -1e และมีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลของธาตุใดๆ จึงถือว่าเลขมวลเป็นศูนย์ อนุภาคอื่นๆ เช่นนิวตรอน โปรตอน มีสัญลักษณ์เป็น ${}_{ - 1}^0 e$ และ $\displaystyle {}_1^1 H$ ตามลำดับ สำหรับรังสีแกมมานั้นไม่มีทั้งประจุไฟฟ้าและมวล จึงเป็นสัญลักษณ์เป็น $\displaystyle \gamma$ ตามเดิม

อาศัยความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของนิวเคลียสดังที่กล่าวมาแล้ว ทำให้สามารถอธิบายการแผ่รังสีของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีได้ กล่าวคือ ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุหนึ่งปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา จะมีการเปลี่ยนแปลงสภาพของนิวเคลียสโดยที่เลขมวลมีจำนวนลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 เมื่อเลขอะตอมหรือจำนวนโปรตอนของนิวเคลียสเปลี่ยนไป จะทำให้มีนิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้นมา นั่นคือ นิวเคลียสของธาตุเดิมได้ สลาย ไปเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่พร้อมกับมีการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ตัวอย่างเช่น การสลายของยูเรเนียม -238 เป็นทอเรียม -234 แล้วปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา สามารถแทนได้ด้วยสมการ

$\displaystyle {}_{92}^{238} U \to {}_{90}^{234} Th + {}_2^4 He$

ในการสลายให้อนุภาคบีตานั้นพบว่า ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลแต่อย่างใด แต่จะมีการเพิ่มเลขอะตอมขึ้น 1 ซึ่งเป็นผลทำให้มีนิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น เช่น การสลายของตะกั่ว -214 เป็นบิสมัท -214 และปล่อยอนุภาคบีตาและรังสีแกมมาออกมา ซึ่งสามารถเขียนด้วยสมการ

$\displaystyle {}_{82}^{214} Pb \to {}_{83}^{214} Bi + {}_{-1}^0 e + \gamma$

การที่เป็นเช่นนี้ เพราะนิวตรอนได้เปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและให้อิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาออกมา ประจุไฟฟ้าของ

นิวเคลียสจึงเพิ่มขึ้นแต่เลขมวลยังคงเดิม

ตามปกติในการสลายให้อนุภาคแอลฟาและบีตามักมีรังสีแกมมาออกมาด้วย ทั้งนี้เพราะภายหลังจากการสลายทั้ง 2

ชนิด นิวเคลียสจะมีการเปลี่ยนระดับพลังงานมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า เป็นผลให้มีการปล่อยรังสีแกมมาออกมาและนิวเคลียสไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลและเลขอะตอมแต่อย่างใด ตัวอย่างการสลายที่ให้รังสีแกมมาตามมาด้วย ได้แก่ การสลายของตะกั่ว -214 ดังกล่าวข้างต้น

บทเรียนที่เกี่ยวข้อง

	การพบกัมมันตภาพรังสี
	การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส
	การสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสี
	ไอโซโทป
	เสถียรภาพของนิวเคลียส
	ปฏิกิริยานิวเคลียร์
	ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์
	กัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ อันตรายจากกัมมันตภาพรังสีและการป้องกัน
	แบบฝึกหัดเรื่องฟิสิกส์นิวเคลียร์
	สัญญาณไฟฟ้า
	ตัวอย่างการนำความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ไปใช้งานทางวิทยาศาสตร์การแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกให้เป็นแบบดิจิตอล