nuclear physics - cernatomic/nuclear/particle physics!"กวเคย (nuclear physics)...

26
N. Srimanobhas [email protected] https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Main/PhatSrimanobhasTeachingCU Nuclear Physics

Upload: others

Post on 31-Aug-2020

13 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

N. Srimanobhas [email protected]

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Main/PhatSrimanobhasTeachingCU

Nuclear Physics

Page 2: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 3

References

Page 4: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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 Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 9

Example

จงคำนวณหา Binding energy per nucleon ของ และ และจงวิเคราะห์ถึงความแตกต่างของ Binding energy per nucleon ของทั้งสองนิวคลีออนนี้

2311Na

2312Mg

Page 10: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 10

Example

จงคำนวณหาพลังงานที่น้อยที่สุดสำหรับดึงนิวตรอนออกจาก 4320Ca

Page 11: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 13

Radioactive decay (half-life)

ช่วงเวลาที่อนุภาคสลายตัวลงจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของตอนเริ่มต้น หรือ ช่วงเวลาที่อัตราการสลายตัวลดลงจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของตอนเริ่มต้น

N0

2= N0e

��T1/2

T1/2 =ln 2

Page 14: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 16

Radioactive decay (Alpha decay)

Page 17: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 17

Radioactive decay (Alpha decay)

การที่นิวเคลียสของธาตุเปลี่ยนไปเป็นธาตุอีกชนิหนึ่ง โดยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสของธาตุ He) ออกมา

จงคำนวณพลังงานซึ่งปลดปล่อยระหว่างการสลายตัวแอลฟานี้23892 U !234

90 Th +42 He

Page 18: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 18

Example

จงแสดงว่าในสภาวะปกติ จะไม่สลายตัวให้โปรตรอน23892 U !234

90 Th +42 He

Page 19: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 19

Radioactive decay (Beta decay)

ในความเป็นจริงแล้วยังมีอนุภาคอีกหนึ่งตัวที่ถูกปลดปล่อยออกมา เราเรียกว่านิวตริโน โดยที่นิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก ไม่มีประจุ ถูกเสนอโดย W. Pauli และถูกค้นพบในปี 1953

นิวตรอน => โปรตรอน + อิเล็กตรอน

โปรตรอน => นิวตรอน + โพสิตรอน

เวลา

Page 20: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 20

Radioactive decay (Beta decay)

Frederick Reines(1995 Nobel laureate)

Cowan, Clyde Lorrain

Page 21: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 21

CERN Neutrino to Gran Sasso (CNGS)

Page 22: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 22

Radioactive decay (Beta decay)

จงคำนวณพลังงานซึ่งปลดปล่อยระหว่างการสลายตัวเบต้านี้3215P !32

16 S + e� + ⌫

Page 23: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 23

Radioactive decay (Gamma decay)

การที่นิวเคลียสของธาตุเปลี่ยนสถานะโดยการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีแกมมา) ออกมา

Page 24: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 24

Fission and fusion reactions

Fission Fusion

ปฎิกิริยาที่นิวเคลียสขนาดใหญ่แตกตัวออกกลายเป็นนิวเคลียสขนาดเล็ก และคายพลังงานออกมา

ปฎิกิริยาที่นิวเคลียสขนาดเล็กรวมตัวกัน กลายเป็นนิวเคลียสขนาดใหญ่ และ

คายพลังงานออกมา

Q = [Mbefore

�Mafter

](931.494MeV/u)

Page 25: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

page 25

Fission and fusion reactions

จงคำนวณพลังงานที่เกิดขึ้นจากการแตกตัว 235U ! 140Ce +94 Zr + n

Page 26: Nuclear Physics - CERNAtomic/Nuclear/Particle Physics!"กวเคย (nuclear physics) เนการ กษาสมของวเคยสในอะตอมโดยตรง

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