ฟิ�สิ�กสิ�นิ�วเคลี�ยร์� แลีะอนิ�ภาคฟิ�สิ�กสิ�นิ�วเคลี�ยร์� แลีะอนิ�ภาคมู�ลีฐานิ มู�ลีฐานิ

ออ. . อาทิ�ตย� ลีภ�ร์�ตนิาก�ลีอาทิ�ตย� ลีภ�ร์�ตนิาก�ลีภาคว�ชาฟิ�สิ�กสิ� คณะว�ทิยาศาสิตร์� ภาคว�ชาฟิ�สิ�กสิ� คณะว�ทิยาศาสิตร์�

มูหาว�ทิยาลี�ยเช�ยงใหมู"มูหาว�ทิยาลี�ยเช�ยงใหมู"

Rutherford เป็$นิคนิแร์กทิ�%ทิดลีองให'เห(นิว"าอะตอมูจะมู�นิ�วเคลี�ยสิขนิาดเลี(กอย�"ใจกลีางอะตอมู

ฟิ�สิ�กสิ�นิ�วเคลี�ยร์�ฟิ�สิ�กสิ�นิ�วเคลี�ยร์�การ์ศ+กษาโคร์งสิร์'างภายในิของนิ�วเคลี�ยสิของอะตอมู การ์เป็ลี�%ยนิแป็ลีง ตลีอดจนิสิมูบั�ต�ต"างๆ

1932 J. Chadwick ค'นิพบันิ�วตร์อนิ จ+งทิ1าให'เร์าเข'าใจองค�ป็ร์ะกอบัของนิ�วเคลี�ยสิ อะตอมูแลีะโคร์งสิร์'าง

เนิ2%องจากอ�เลี(กตร์อนิมู�ป็ร์ะจ�ลีบั จ+งต'องมู�ป็ร์ะจ�บัวกจ1านิวนิเทิ"าก�นิอย�"ในินิ�วเคลี�ยสิ ทิ1าให'อะตอมูของธาต�ใดๆ เป็$นิกลีางทิางไฟิฟิ5า โป็ร์ตอนิ

แต"ย�งมู�ค1าถามูว"า โป็ร์ตอนิซึ่+%งมู�ป็ร์ะจ�บัวกสิามูาร์ถต'านิแร์งผลี�กทิางไฟิฟิ5า ไป็ร์วมูก�นิอย�"ในินิ�วเคลี�ยสิร์�ศมู� 10-15 เมูตร์ได'อย"างไร์

พลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยว พลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยว (Binding (Binding Energy)Energy)

2mcE

เป็$นิพลี�งงานิทิ�%ใช'ย+ดเหนิ�%ยวอนิ�ภาคภายในินิ�วเคลี�ยสิให'อย�"ร์วมูก�นิ

ตามูกฎอนิ�ร์�กษ�มูวลี : มูวลีของนิ�วเคลี�ยสิ = ผลีร์วมูของมูวลี p ก�บั n ทิ�:งหมูด

แต"จากการ์ตร์วจสิอบั มวลของนิ�วเคล�ยสม�ค�านิ�อยกว�า

ด�งนิ�:นิผลีต"างของมูวลีนิ"าจะกลีายไป็เป็$นิพลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวตามูแลีะนิ�ยมูว�ดมูวลีในิหนิ"วย u โดย

1 u = 1/12 ของมูวลีอะตอมูคาร์�บัอนิ-12 = 1.6604x10-27 kg

ไอโซโทป ไอโซโทป (Isotope)(Isotope)

ไอโซึ่โทิป็ต"างก�นิ หมูายถ+ง เลีขอะตอมูเทิ"าก�นิ แต" เลีขมูวลีต"างก�นิเช"นิ นิ�วเคลี�ยสิของอะตอมูไฮโดร์เจนิ

สิ�ญลี�กษณ� H1

1

นิ�วเคลี�ยสิของด�วเทิอเร์�ยมู สิ�ญลี�กษณ�

H21

นิ�วเคลี�ยสิของตร์�เตร์�ยมู สิ�ญลี�กษณ�

H31

Nuclear notation :

มูวลีอะตอมูของไอโซึ่โทิป็ของธาต�ต"างๆ

ไอโซโทป

มวลอะตอม (หนิ�วย u

)

e 0.000549

n 1.008665

1H 1.007825

2H 2.014102

3H 3.016050

3He 3.016030

ไอโซโทป

มวลอะตอม (หนิ�วย

u )4He 4.002603

5Li 5.0125

6Li 6.01512

7Li 7.016004

12C 12.000000

13C 13.003354

ไอโซโทป

มวลอะตอม (หนิ�วย u )

14C 14.003242

14N 14.003074

16O 15.994915

17O 16.999133

18O 17.999160

235U 235.043915

238U 238.050770

ต�วอย�างต�วอย�างจงค1านิวณ (ก ) พลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวของ 16Oว�ธี�ท�า นิ�วเคลี�ยสิของ 16O ป็ร์ะกอบัด'วย 8

นิ�วตร์อนิ , 8 โป็ร์ตอนิ u062600.8007825.18H8

u069320.8008665.18n811

10

ด�งนิ�:นิ u131920.16H8n8 11

10

แต" มูวลีของ 16O = 15.994915 u

จ+งได' มูวลีทิ�%หายไป็

u137005.0m

พลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยว

MeV48.931137005.0mcE 2

= 127.6 MeV

(ข ) หาพลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวต"อนิ�วคลี�ออนิ ของ 16Oว�ธี�ท�า พลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวของ 16O = 127.6

MeV พลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวต"อนิ�วคลี�ออนิ

ของ 16Onucleons16

MeV6.127

= 7.98 MeV/nucleons

ป็กต�แลี'ว สิ1าหร์�บัไอโซึ่โทิป็ทิ�%มู�เลีขมูวลีมูากกว"า 20 จะมู�ค"าพลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวต"อนิ�วคลี�ออนิโดยเฉลี�%ย เทิ"าก�บั 8 MeV จากการ์สิ�งเกตการ์ณ� ค"าพลี�งงานิย+ดเหนิ�%ยวต"อ

นิ�วคลี�ออนิทิ�%สิ�งทิ�%สิ�ด มู�ค"าป็ร์ะมูาณ 8.75 MeV ได'แก" ไอโซึ่โทิป็ ซึ่+%งถ2อว"าเป็$นินิ�วเคลี�ยสิทิ�%มู�เสิถ�ยร์ภาพมูากทิ�%สิ�ด

Fe5626

ก�มม�นิตภาพรั�งส� (radioactivity) เก�ดจากการัเปล�#ยนิแปลงภายในินิ�วเคล�ยสของอะตอม

ร์�งสิ�แอลีฟิา

ร์�งสิ�เบัตา

ร์�งสิ�แกมูมูา

เป็$นิร์�งสิ�ทิ�%มู�พลี�งงานิสิ�ง => ป็ลีดป็ลี"อยออกจากนิ�วเคลี�ยสิของอะตอมู

He42 e0

1

ค.ศ . 1896 Henri Becquerel ชาวฝร์�%งเศสิ เป็$นิคนิแร์กทิ�%ค'นิพบัร์�งสิ�จากนิ�วเคลี�ยสิโดยบั�งเอ�ญ จากการ์เก(บัฟิ�ลี�มูถ"ายร์�ป็ไว'ใกลี'สิาร์ป็ร์ะกอบัของย�เร์เนิ�ยมู

เขาได'แยกแยะจากการ์สิ�งเกตทิ�%ร์อบัคอบัว"าร์�งสิ�ด�งกลี"าวไมู"ใช"ร์�งสิ�เอ(กซึ่� แต"เป็$นิร์�งสิ�ทิ�%ถ�กป็ลีดป็ลี"อยออกมูาจากสิาร์ให'ร์�งสิ�อย"างไมู"หย�ดย�:งสิาร์ก�มูมู�นิตร์�งสิ�สิ"วนิใหญ"จะมู�เลีขอะตอมูมูากกว"า 81

แต"บัางต�วเป็$นินิ�วเคลี�ยสิของธาต�เบัา เช"นิ ,เป็$นิต'นิ

C14 K40

ร์�งสิ�แอลีฟิา หร์2อ อนิ�ภาคแอลีฟิา ค2อนิ�วเคลี�ยสิของฮ�เลี�ยมู ป็ร์ะกอบัด'วยโป็ร์ตอนิ 2 ต�ว นิ�วตร์อนิ 2 ต�ว จ+งมู�ป็ร์ะจ�บัวกเป็$นิ 2 เทิ"าของค"าป็ร์ะจ�อ�เลี(กตร์อนิ แลีะมู�มูวลีป็ร์ะมูาณ 4 เทิ"าของโป็ร์ตอนิหร์2อนิ�วตร์อนิ มู�อ1านิาจทิะลี�ผ"านิต1%ามูาก มู�ความูเร์(วในิร์ะด�บั 107 เมูตร์ต"อว�นิาทิ� เมู2%อนิ�วเคลี�ยสิป็ลี"อยร์�งสิ�แอลีฟิามูา นิ�วเคลี�ยสินิ�:นิจะมู�ป็ร์ะจ�ลีดลีง 2 หนิ"วยแลีะมูวลีลีดลีง 4 หนิ"วย เป็$นินิ�วเคลี�ยสิของธาต�ใหมู"

ร์�งสิ�เบัตา หร์2อ อนิ�ภาคเบัตา ค2ออนิ�ภาคป็ร์ะจ�ลีบัเหมู2อนิอ�เลี(กตร์อนิ มู�อ1านิาจทิะลี�ผ"านิสิ�งกว"าร์�งสิ�แอลีฟิา สิามูาร์ถเคลี2%อนิผ"านิในิอากาศได'ร์ะยะทิางเป็$นิฟิ�ต ความูเร์(วสิ�งเก2อบัเทิ"าความูเร์(วแสิงเมู2%อนิ�วเคลี�ยสิป็ลี"อยร์�งสิ�เบัตามูา เลีขอะตอมูของนิ�วเคลี�ยสินิ�:นิจะเพ�%มูข+:นิ 1 หนิ"วย แต"เลีขมูวลีไมู"เป็ลี�%ยนิแป็ลีง

ร์�งสิ�แกมูมูา เป็$นิคลี2%นิแมู"เหลี(กไฟิฟิ5าทิ�%มู�ความูถ�%สิ�งมูาก ไมู"มู�ป็ร์ะจ�ไฟิฟิ5า ความูเร์(วเทิ"าแสิง

กลีไกการ์เก�ดกลีไกการ์เก�ดก�มูมู�นิตภาพร์�งสิ�ก�มูมู�นิตภาพร์�งสิ�

นิ�วเคลี�ยสิของอะตอมูทิ�%ไมู"

เสิถ�ยร์ สิลีายต�ว

นิ�วเคลี�ยสิของอะตอมูทิ�%

เสิถ�ยร์กว"าร์�งสิ�พลี�งงานิสิ�ง

กฎการ์สิลีายต�วกฎการ์สิลีายต�วอ�ตร์าการ์สิลีายต�ว (R) (การ์ลีดลีงของจ1านิวนินิ�วเคลี�ยสิตามูเวลีา ) จะมูากหร์2อนิ'อย ข+:นิอย�"ก�บัจ1านิวนินิ�วเคลี�ยสิทิ�%มู�อย�"เด�มู นิ�%นิค2อ ถ'ามู�จ1านิวนินิ�วเคลี�ยสิอย�"มูากย"อมูมู�การ์สิลีายต�วมู�นิเองได'มูาก ถ'ามู�เหลี2อนิ'อยก(สิลีายได'นิ'อยถ'าให' N ค2อ จ1านิวนินิ�วเคลี�ยสิทิ�%ไมู"เสิถ�ยร์ ในิขณะ

ใดขณะหนิ+%ง

Ndt

dN

Ndt

dNR

----(1)

ค2อค"าคงทิ�%ของการ์สิลีายต�ว มู�หนิ"วยเป็$นิ (ว�นิาทิ�)-1

อ�นิทิ�เกร์ตสิมูการ์ (1) จะได'ว"า

tN

Nn

dtdNN

1

0

tt

0t

tt

0t

t0eNN

N0 ค2อจ1านิวนินิ�วเคลี�ยสิเมู2%อเวลีาเร์�%มูแร์กค2อ t=0

ถ'าให' T1/2 เป็$นิช"วงเวลีาทิ�%นิ�วเคลี�ยสิสิลีายต�วเหลี2อเพ�ยงคร์+%งหนิ+%งจากเด�มู

2/1T0

0 eN2

N

เร์�ยกร์ะยะเวลีา T1/2 ว"า คร์+%งช�ว�ต “ ”(Half-life)

----(2)

----(3)

แลีะจากสิมูการ์ (3)

2/1T0

0 eN2

N

2/1T2

1n

693.0T 2/1หร์2อ ----(4)

2/1T693.0

นิ�%นิค2อ ช"วงเวลีาทิ�%นิ�วเคลี�ยสิสิลีายต�วเหลี2อคร์+%งนิ+ง หร์2อคร์+%งช�ว�ตของธาต�ก�มูมู�นิตร์�งสิ�ใดๆ จะแป็ร์ผกผ�นิก�บัค"าคงทิ�%ของการ์สิลีายต�วของธาต�ก�มูมู�นิตร์�งสิ�นิ�:นิ

ต�วอย�างต�วอย�างจงค1านิวณมูวลีของคาร์�บัอนิ-14 ป็ร์�มูาณ 3.7x1010 เบักเคอเร์ลี ก1าหนิดให'คร์+%งช�ว�ตของคาร์�บัอนิ-14 เทิ"าก�บั 5570 ป็@ว�ธี�ท�า คร์+%งช�ว�ต = 5570 ป็@ = 1.758x1011

ว�นิาทิ�ด�งนิ�:นิ 12

2/1

1094.3T

693.0 (ว�นิาทิ�)-

1

ป็ร์�มูาณก�มูมู�นิตภาพ R = 3.7x1010 เบักเคอเร์ลี = 3.7x1010 (ว�นิาทิ�)-1

จาก NR 211038.9R

N

นิ�วเคลี�ยสิแต"มูวลีอะตอมูของคาร์�บัอนิ-14 เทิ"าก�บั

14.0077 u 212714C 1038.9106604.10077.14M

41018.2 ก�โลีกร์�มู

ป็ฏิ�กร์�ยาป็ฏิ�กร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�นิ�วเคลี�ยร์�

bYXa Yb,aX

ค2อป็ฏิ�กร์�ยาร์ะหว"างอนิ�ภาคก�บันิ�วเคลี�ยสิ เช"นิ ย�งอนิ�ภาค a ใสิ"เข'าไป็ในินิ�วเคลี�ยสิ X จะทิ1าให'เก�ดการ์แตกออกเป็$นินิ�วเคลี�ยสิ Y แลีะอนิ�ภาค b

หร์2อเข�ยนิแบับักะทิ�ดร์�ดเป็$นิตามูป็กต� ป็ฏิ�กร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�จะมู�ทิ�:งการ์คายความูร์'อนิ

(Exothermal Reaction) แลีะการ์ด�ดกลี2นิความูร์'อนิ (Endothermic Reaction)ความูร์'อนิ Q ทิ�%เก�ดข+:นิ จะหาได'จาก

2YbXa cMmMmQ

ป็ฏิ�กร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�ฟิ�ชช�นิ (Fission)

ค2อการ์ทิ�%นิ�วเคลี�ยสิธาต�หนิ�กร์�บันิ�วตร์อนิเข'าไป็แลี'วเก�ดการ์แตกออกเป็$นิสิองสิ"วนิ

เช"นิ เมู2%อย�งนิ�วตร์อนิพลี�งงานิต1%าเข'าชนินิ�วเคลี�ยสิของย�เร์เนิ�ยมู-235 จะได'

Qn2SrXeUn 10

9438

14054

23592

10

ทิ�:ง 140Xe แลีะ 94Sr ต"างก(สิามูาร์ถสิลีายต�วต"ออ�ก ด�งนิ�: CeLaBaCsXe 140

5814057

14056

14055

14054

แลีะ ZrYSr 9440

9439

9438

ด�งนิ�:นิ สิามูาร์ถค1านิวณหาพลี�งงานิความูร์'อนิทิ�%ป็ลีดป็ลี"อยจากป็ฏิ�กร์�ยาด�งกลี"าวได'จากm = มูวลีหลี�งเก�ดป็ฏิ�กร์�ยา - มูวลี

ก"อนิเก�ดป็ฏิ�กร์�ยา u0087.1u0439.235u000549.06u008665.12u9036.93u9054.139

จะได' u223.0m

MeV208u

MeV931u223.0Q

ซึ่+%งเป็$นิพลี�งงานิความูร์'อนิทิ�%มู�ค"าสิ�งมูาก

นิ�วตร์อนิทิ�%เป็$นิผลี�ตผลีจากป็ฏิ�กร์�ยา ย�งสิามูาร์ถชนิก�บั 235U ได'อ�ก เก�ดเป็$นิ ป็ฏิ�กร์�ยาลี�กโซึ่" “ ”(Chain Reaction)

ป็ฏิ�กร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�ฟิ�วช�นิ (Fusion)ค2อการ์ทิ�%นิ�วเคลี�ยสิธาต�เบัามูาหลีอมูร์วมูก�นิแลี'วก

ลีายเป็$นินิ�วเคลี�ยสิธาต�หนิ�ก เช"นิ ป็ฏิ�กร์�ยาหลีอมูร์วมูร์ะหว"างด�วเทิอเร์�ยมู ซึ่+%งเป็$นิด�งนิ�:

energyeHeH4 42

11

energyeHeH4 42

11

nHeHH

HHHH

nHeHH

10

42

31

21

11

31

21

21

10

32

21

21

MeV59.17Q

MeV03.4Q

MeV27.3Q

อนิ�ภาคอนิ�ภาคมู�ลีฐานิมู�ลีฐานิ

หลี�งจาก Thomson (1897) ค'นิพบัอ�เลี(กตร์อนิ แลีะ Chadwick (1932) ค'นิพบันิ�วตร์อนิ ทิ1าให'มูนิ�ษย�ทิร์าบัว"าอะตอมูไมู"ใช"อนิ�ภาคมู�ลีฐานิอ�ก

1927     Dirac เสินิอสิมูการ์เช�งสิ�มูพ�ทิธภาพ แสิดงความูสิ�มูพ�นิธ�ร์ะหว"าง ทิ�%สิ"งผลีให'ต'องมู�อนิ�ภาคค�"อนิ�ภาคป็กต� เร์�ยกว"าป็ฏิ�ยานิ�ภาค (antiparticle) ทิ�%มู�สิมูบั�ต�เหมู2อนิก�นิก�บัอนิ�ภาคป็กต�ทิ�กป็ร์ะการ์ ยกเว'นิป็ร์ะจ�

1931     Anderson ค'นิพบั positron ค�"อนิ�ภาคของอ�เลี(กตร์อนิ นิ1าไป็สิ�"ข'อสิร์�ป็ทิ�%วไป็ว"าอนิ�ภาคทิ�กชนิ�ดจะมู�ป็ฏิ�ยานิ�ภาค (antiparticle) เสิมูอ

Pair production ee

Pair annihilation ee

นิ�วตรั�โนิเป็$นิอนิ�ภาคทิ�%นิ�กว�ทิยาศาสิตร์�สิมูมูต�ข+:นิเพ2%ออธ�บัาย

การ์ไมู"คงต�วของพลี�งงานิในิป็ฏิ�กร์�ยาป็ลีดป็ลี"อยร์�งสิ�เบัตา

หลี�กการ์อนิ�ร์�กษ�พลี�งงานิทิ1าให'ต'องเพ�%มูอนิ�ภาคอ�กชนิ�ดเข'าไป็

โดยต'องเป็$นิอนิ�ภาคทิ�%ไมู"มู�มูวลี ไมู"มู�ป็ร์ะจ� แต"มู�พลี�งงานิ โมูเมูนิต�มู แลีะสิป็�นิ

ในิป็@ ค.ศ . 1956 มู�การ์ทิดลีองให'เห(นิว"า นิ�วตร์�โนิมู�อย�"จร์�ง โดยการ์ศ+กษาป็ฏิ�กร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�ในิเตาป็ฏิ�กร์ณ� นิ�วตร์�โนิจ+งไมู"ใช"อนิ�ภาคสิมูมูต�อ�กต"อไป็ป็Bจจ�บั�นิ ทิร์าบัว"านิ�วตร์�โนิมู�อย�" 3 ชนิ�ด

• อ�เลี(กตร์อนินิ�วตร์�โนิ (electron neutrino)

• เทิานิ�วตร์�โนิ (tau neutrino)

• มู�วออนินิ�วตร์�โนิ (muon neutrino)โดยพบัอ�เลี(กตร์อนินิ�วตร์�โนิมูากทิ�%สิ�ด จากป็ฏิ�กร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�ภายในิดวงอาทิ�ตย�เนิ2%องจากอนิ�ภาคนิ�วตร์�โนิถ2อว"า ไมู"มู�มูวลี ไมู"มู�

ป็ร์ะจ� (ป็Bจจ�บั�นิเช2%อว"ามู�มูวลีนิ'อยมูาก ) จ+งทิ1าให'มู�สิมูบั�ต�ทิะลี�ผ"านิสิสิาร์ได'อ�สิร์ะ โดยเฉลี�%ยสิามูาร์ถทิะลี�ผ"านิเหลี(กหนิาถ+ง 130 ป็@แสิง ได'ก"อนิถ�กด�ดกลี2นิ

ตามูทิฤษฎ� Standard model สิามูาร์ถแบั"งอนิ�ภาคมู�ลีฐานิได'เป็$นิ 2 ป็ร์ะเภทิใหญ"ๆ • เฟิอร์�มู�ออนิ (Fermion) เป็$นิอนิ�ภาคมู�ลีฐานิทิ�%ป็ร์ะกอบัเป็$นิสิสิาร์ มู�สิป็�นิเป็$นิ half-integer แบั"งออกเป็$นิ ควากซึ่� แลีะ เลีป็ตอนิ • โบัซึ่อนิ (Boson) เป็$นิอนิ�ภาคมู�ลีฐานิทิ�%ไมู"ได'ป็ร์ะกอบัเป็$นิสิสิาร์ แต"ทิ1าหนิ'าทิ�%เป็$นิ สิ2%อนิ1าแร์ง (force carriers)

FERMIONS 12(spin = / , 3 /2 , 5 /2 ,…)

BOSONS ( = 0, 1, 2, …)spin

Leptons Quarks UnifiedElectrowea

k

Strong

ช2%อ สิ�ญลี�กษณ�

ช2%อ สิ�ญลี�กษณ�

ช2%อ สิ�ญลี�กษณ�

ช2%อ สิ�ญลี�กษณ�

electron

neutrino

nn u photon

gl uon

g

electron

e down

d w mi nu

n

W-

 

muonneutrin

o

charm

c w plus

W+

 

muon strange

s z not Z0 

tauneutrin

o

top t

 

tau bottom

b 

e

ชนิ�ดของควากซ'

ปรัะจ(ไฟฟ*า

มวล(GeV/c2)

u 2/3 0.003d - 1/3 0.006c 2/3 1.3s - 1/3 0.1t 2/3 175b - 1/3 4.3

สมบั�ต�ของควากซ'