ADDIREK.learnฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค
นิวเคลียสของอะตอมเก็บพลังงานไว้มากกว่าที่เห็นในระดับอิเล็กตรอนหลายล้านเท่า — บทนี้อธิบายโครงสร้างนิวเคลียส การสลายกัมมันตรังสี ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ปลดปล่อยพลังงานมหาศาล และปิดท้ายด้วยภาพรวมของอนุภาคมูลฐานที่ประกอบกันเป็นสิ่งต่างๆ ในเอกภพ
โครงสร้างนิวเคลียสและไอโซโทป
นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน (ประจุบวก) และนิวตรอน (ไม่มีประจุ) รวมเรียกว่านิวคลีออน เลขอะตอม Z คือจำนวนโปรตอน (บอกว่าเป็นธาตุใด) และเลขมวล A คือจำนวนโปรตอนรวมกับนิวตรอน
ไอโซโทป (isotope) คือธาตุชนิดเดียวกัน (Z เท่ากัน) แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน (A ต่างกัน) — เช่น คาร์บอน-12 และคาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปของคาร์บอน มีสมบัติทางเคมีเหมือนกันแต่มวลและความเสถียรต่างกัน
พลังงานยึดเหนี่ยวและ E = mc²
มวลของนิวเคลียสจะน้อยกว่าผลรวมมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่แยกกันอยู่เล็กน้อย ส่วนต่างนี้เรียกว่า "มวลพร่อง" (mass defect) ซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ที่ยึดนิวคลีออนไว้ด้วยกัน
ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่ามวลและพลังงานเทียบกันได้ด้วยสมการ E = mc² — มวลพร่องเพียงเล็กน้อยก็ให้พลังงานยึดเหนี่ยวมหาศาล เพราะ c² มีค่ามากมาย นี่คือเหตุผลที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ปลดปล่อยพลังงานได้มากกว่าปฏิกิริยาเคมีมหาศาล
การสลายกัมมันตรังสี
นิวเคลียสที่ไม่เสถียรจะสลายตัวปลดปล่อยรังสีออกมาเพื่อไปสู่สภาพเสถียรกว่า มีสามชนิดหลัก: การสลายแอลฟา (ปลดปล่อยนิวเคลียสฮีเลียม ทำให้ Z ลด 2 และ A ลด 4), การสลายเบตา (ปลดปล่อยอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน ทำให้ Z เปลี่ยนไป 1 แต่ A คงเดิม), และการสลายแกมมา (ปลดปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง ไม่เปลี่ยน Z หรือ A)
อำนาจทะลุทะลวงต่างกันมาก: แอลฟาทะลุผ่านกระดาษไม่ได้, เบตาทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมบางได้บ้าง, ส่วนแกมมาทะลุผ่านได้ไกลที่สุด ต้องใช้ตะกั่วหนาหรือคอนกรีตกั้น
กฎการสลายตัวและครึ่งชีวิต
จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายตัว ณ เวลา t คำนวณจาก N = N0e^(−λt) โดย N0 คือจำนวนตั้งต้น และ λ คือค่าคงตัวการสลายตัว (ประจำตัวของไอโซโทปนั้น)
ครึ่งชีวิต (half-life, t½) คือเวลาที่นิวเคลียสตั้งต้นสลายไปครึ่งหนึ่ง สัมพันธ์กับค่าคงตัวการสลายตัวด้วย t½ = ln2/λ — ทุกครั้งที่เวลาผ่านไปหนึ่งครึ่งชีวิต ปริมาณสารตั้งต้นจะเหลือครึ่งหนึ่งของเดิมเสมอ ไม่ว่าจะเริ่มนับจากตอนไหน
- หลัง n ครึ่งชีวิต จะเหลือสารตั้งต้น N0×(1/2)ⁿ
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันและฟิวชัน กับอนุภาคมูลฐาน
ฟิชชัน (fission) คือการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก (เช่น ยูเรเนียม-235) เป็นนิวเคลียสเบาสองก้อนพร้อมปลดปล่อยพลังงานและนิวตรอน — เป็นหลักการของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ส่วนฟิวชัน (fusion) คือการรวมตัวของนิวเคลียสเบา (เช่น ไฮโดรเจน) เป็นนิวเคลียสที่หนักขึ้น ปลดปล่อยพลังงานมากกว่าฟิชชันต่อหน่วยมวล และเป็นแหล่งพลังงานของดวงอาทิตย์
ในระดับที่เล็กกว่านิวเคลียส สารทุกอย่างประกอบขึ้นจากอนุภาคมูลฐานสองกลุ่มหลัก: ควาร์ก (quark) ซึ่งรวมกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน และเลปตอน (lepton) ซึ่งอิเล็กตรอนเป็นสมาชิกที่คุ้นเคยที่สุด — เป็นภาพรวมของแบบจำลองมาตรฐานที่อธิบายองค์ประกอบพื้นฐานของสรรพสิ่ง
- พลังงานจากมวล
- E = mc²
- กฎการสลายตัว
- N = N0e^(−λt)
- ครึ่งชีวิต
- t½ = ln2/λ
- ปริมาณเหลือหลัง n ครึ่งชีวิต
- N = N0(1/2)ⁿ