0123456(37(& 18923:%;(?%/=3'>einstein.sc.mahidol.ac.th/~yuma/scpy155/scpy155_2017... ·...
Transcript of 0123456(37(& 18923:%;(?%/=3'>einstein.sc.mahidol.ac.th/~yuma/scpy155/scpy155_2017... ·...
บทท 15-17 ฟสกสยคใหมเบองตน ฟสกสอะตอมและฟสกสนวเคลยร
อาจารย ดร. สรพงษ อยมา
ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยมหดล
©Modern Physics by Serway, More, & Moyer
Planck Curie LorentzEinstein
DiracCompton
de Broglie
Bohr
Schrödinger Heisenberg
Pauli
เนอหา• บทท 15 ฟสกสยคใหมเบองตน
• แนะนำฟสกสยคใหม
• ปรากฏการณโฟโตอเลกตรก
• ความเปนคลนของอนภาค
• บทท 16 ฟสกสอะตอม
• สเปกตรม
• แบบจำลองอะตอมของบอหร
• บทท 17 ฟสกสนวเคลยร
• องคประกอบของนวเคลยส
• พลงงานยดเหนยวภายในนวเคลยส และการ
สลายตว
©Yuma
ฟสกสยคใหม (Modern Physics)• ปรากฏการณตางๆในธรรมชาต สามารถอธบายไดดวยกฏการเคลอนทของนวตน ทฤษฎ
แมเหลกไฟฟา การสน พลงงานศกยและจลน และอนๆ
• สงเหลาน รวมเรยกวา ฟสกสยคดงเดม (Classical Physics)
• ตอมาในชวงศตวรรษท 20 มการทดลองและการคนพบสงตางๆทไมสามารถใชกฏทาง
ฟสกสทมอยอธบายไดอยางสมบรณ
• จงมการสรางทฤษฎขนมาใหม ซงรวมเรยกวา ฟสกสยคใหม (Modern Physics)
• เชน CPU ในคอมพวเตอร หรอ ฮารดดสกเกบขอมล หรอจอทว LCD
• ฟสกสยคใหม ประกอบดวย 2 ทฤษฎหลกๆ คอ
1. ทฤษฎสมพทธภาพ (Relativity theory)
• คอ การอธบายการเคลอนทของอนภาคทกรอบอางองทมความเรว
• โดยทวไปจะใชกบอนภาคทมความเรวสง (เขาใกลอตราเรวของแสง)
2. ทฤษฎควอนตม (Quantum theory)
ฟสกสยคใหม (Modern Physics)
พอ
ลก
https://www.youtube.com/watch?v=ECjYsWLgy3I
ทฤษฎควอนตม (Quantum Theory)
• อะตอมมขนาดอยทระดบ 10-10 m (องสตรอม,
Ångstrom)
• นวเคลยสยงมขนาดเลกลงไปอกเปน 10-15m (Fermi)
• อนภาคขนาดเลกแบบนไมสามารถอธบายไดดวย
ฟสกสยคดงเดม
• หลกการของทฤษฎควอนตม คอ “หลกความนาจะเปน”
ทไมไดอธบายตวตนของอนภาคตางในรปแบบทจบตอง
ได แตอธบายวา อนภาคจะมความนาจะเปนทจะอยท
ตำแหนงตางๆเทาไรเทานน
ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน• เมอแสงตกกระทบบนพนผวโลหะ จะทำใหอเลกตรอนในโลหะนน
หลดออกมา (ดงรป)
• อเลกตรอนทหลดออกมาจะเรยกวา โฟโตอเลกตรอน
(Photoelectron) ซงมคณสมบตดงน
1. จะเกดโฟโตอเลกตรอนขนไดกตอเมอ ความถของ
แสงทมาตกกระทบมคามากกวา ความถขดเรม
(Threshold frequency) ซงขนกบชนดวตถ
2. จะเกดโฟโตอเลกตรอนหรอไม ไมขนกบความเขม
ของแสง (ความถลวนๆ)
3. แต! จำนวนโฟโตอเลกตรอนทหลดออกมาจะขนกบ
ความเขมของแสงทมความถมากกวาความถขดเรม
4. พลงงานของโฟโตอเลกตรอน กไมขนกบความเขม
ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน
• เราพจารณาแสงทตกกระทบเปน อนภาค ซงเรา
เรยกวา “โฟตอน (Photon)”
• มลกษณะเปนกลมกอนของพลงงานทไมมมวล
• โดย h คอ คาคงทของพลงค (Planck’s
constant, 6.64x10-34 J.s)
• หมายความวา ตอใหมโฟตอนมาเพยงแคตว
เดยว ถาโฟตอนตวนนมความถมากกวาความถ
ขดเรม กสามารถทำใหเกดโฟโตอเลกตรอนได
• พลงงานจลนของโฟโตอเลกตรอนทหลดออกไป มาจากการถายเทพลงงาน
จากโฟตอนทตกกระทบ ซงตองมคาอยางนอยเทากบพลงงานยดเหนยว หรอ
ฟงกชนงาน (work function, ) ทขนกบชนดของวสด
ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน
• พลงงานจลนของโฟโตอเลกตรอน
• พลงงานจลนสงสดของโฟโตอเลกตรอนจะเกดเมอเปนการ
กระตนอเลกตรอนตวทอยใกลผวของวสดมากทสด เพราะ
จะไมเสยพลงงานไปกบการชนกบอนภาคอน
ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน
• สงทเราไดจากปรากฏการณโฟโตอเลกตรก คอ
• แสงประพฤตตวเปนอนภาค
• โฟตอนมคาพลงงานไดเฉพาะบางคาเทานน (มคาเปนจำนวนเทาของคาคงทพลงค
เทานน)
• การทโฟตอนมพลงงานไดแคบางคานน เรยกวา ควอนไทเซชน (Quantization)
ซงเปนคำทเชอมโยงกบควอนตม (Quantum) นนเอง
• หนวยของพลงงาน คอ จล (Joule, J)
• พลงงาน 1.6x10-19
J คอพลงงานททำใหอเลกตรอนซงมประจ 1.6x10-19
C
เคลอนทในความตางศกย 1 V หมายความวา 1eV = 1.6x10-19
J
ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน
ปรากฏการณคอมปตน (Compton Effect)
• เปนปรากฏการณทเกดจากการทโฟตอนวงชนกบอลกตรอนอสระแลวมการถายทอด
พลงงานจากโฟตอนไปยงอเลกตรอน
• การชนกนนเปนไปตามกฏการอนรกษพลงงาน เหมอนการชนกนของลกบลเลยด
ธรรมดาสองลก
https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering
ตวอยางท 1
1. คำนวณหาพลงงานของโฟตอนทมความถ 6.0x1014 Hz
• วธทำ จาก E=hf --> แทนคา ความถ f = 6.0x1014 Hz และ คาคงทพลงค
2. ถาไฟฉายมกำลง 1W แสงจากไฟฉายนจะมโฟตอนกตวตอวนาท
• วธทำ กำลงไฟ 1 วตต คอ พลงงาน 1 จลตอวนาท
• จาก ขอ 1. โฟตอนมพลงงาน 3.98x10-19 J
• จำนวนโฟตอน เทากบ 2.51x1018 ตวตอวนาท
ความเปนคลนของอนภาค
• เดอ บรอกล (ในภาพ) เสนอวา ในเมอคลนแสงประพฤตตว
เปนอนภาคได อนภาคกตองสามารถประพฤตตวเปนคลนได
เชนเดยวกน
• ถาอนภาคมมวล m เคลอนทดวยอตราเรว v จะแสดงคณสมต
ของคลนทมความยาวคลน λ ทเปนไปตามความสมพนธ
• เมอโมเมนตมของอนภาค p = mv
Louis de Broglie 1892-1987
ความยาวคลนน เรยกวา ความยาวคลนของเดอ บรอกล (de Broglie Wavelength)
• การทดลองการเลยวเบน
ของรงสเอกซและลำ
อเลกตรอน เพอพสจนวา
อนภาคอยางอเลกตรอน
สามารถเกดการเลยวเบน
ไดเชนเดยวกบรงสเอกซ
ซงเปนคลนแมเหลกไฟฟา
ความเปนคลนของอนภาค
กลองจลทรรศนอเลกตรอน• อาศยหลกการการเปนคลนของอเลกตรอน ใชลำอเลกตรอนแทนแสง เพอกำลง
ขยายในการมองภาพใหชดเจนขน
©Modern Physics by Serway, More, & Moyer
https://www.hks.harvard.edu/sdn/sdnimages/large.butterfly.jpg
ฟสกสของอะตอม
• สสารทกประเภทประกอบขนมาจากอะตอม
• โครงสรางพนฐานของอะตอม ประกอบไปดวย
นวตรอน (neutron) โปรตอน (proton) และ
อเลกตรอน (electron)
สเปกตรมแบบเสน
• ในเรองคลนแมเหลกไฟฟา ถาประจเคลอนทดวยความเรงจะทำใหเกดคลนแมเหลกไฟฟาออกมา
รอบๆ ยกตวอยางเชน การเคลอนทของประจดงกลาวทผวของดวงอาทตย ทำใหเกดคลนแสงมาถงเรา
• ประจทผวดวงอาทตยเคลอนทดวยความเรงคาตางๆมากมาย ทำใหเกดสเปกตรมทกชวง
ความยาวคลน เรยกวา สเปกตรมแบบตอเนอง (continuous spectrum)
• สเปกตรมทไดจากอะตอมชนดใดชนดหนง จะมลกษณะเปนเสน เรยกวา สเปกตรมแบบเสน (spectral
line) ซงจะแตกตางกนออกไปขนกบชนดของอะตอม
แบบจำลองอะตอมของบอหร• Neil Bohr เสนอสจพจนสองขอเพออธบายสเปกตรมแบบเสนของอะตอม คอ
1. อเลกตรอนจะอยในระดบพลงงานทมคาเฉพาะเพยงบางคาเทานน
• ระดบชนพลงงานน เรยกวา สถานะคงท (stationary states)
• แตละชนพลงงานถกระบดวยตวเลขจำนวนเตม n โดยชนในสด n=1 มพลงงานตำสด ตวเลขนมชอเรยกเฉพาะวา
เลขควอนตม (quantum number)
2. การดดกลนและปลดปลอยพลงงานของอะตอม จะเกดจากการกระโดดของอเลกตรอนระหวางระดบชนพลงงานทตางกน
• n=1 เปนสถานะทพลงงานตำสด เราเรยกวา สถานะพน (Ground state)
• n=2, n=3 เปนสถานะกระตนทหนง และสอง ตามลำดบ
• ถาอเลกตรอนดดกลนพลงงานจากโฟตอนไป พลงงานของอเลกตรอนจะเพมขนและขนไปอย
ระดบพลงงานทสงขน เรยกวา การดดกลนแสง (Light Absorption)
• ในทางกลบกน ถาอเลกตรอนทอยในระดบพลงงานสงปลดปลอยพลงงานออกมา อเลกตรอน
จะลงไปอยในระดบพลงงานทตำกวา และมการปลดปลอยแสง (Light Emission) ออกมา
Ef = ระดบพลงงานสดทาย
Ei = ระดบพลงงานเรมตน
สเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน
• อะตอมไฮโดรเจน มโครงสรางท
ซบซอนนอยทสด เพราะเปนธาต
แรกในตารางธาต
• ประกอบดวย โปรตอนและ
อเลกตรอน อยางละหนงตว
• ระดบพลงงานแตละชน
คำนวณจาก
©UGA
• ทระดบพลงงาน n=∞ ระดบพลงงานจะมคาเปนศนย หมายความวา อเลกตรอนจะหลด
ออกจากอะตอมไดพอด
• พลงงานทใชในการทำใหอเลกตรอนทสถานะพนหลดออกจากวงโคจร เรยกวา พลงงาน
ไอออไนเซชน (Ionization energy)
สเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน
โครงสรางอะตอม• Exclusion principle:
• อเลกตรอนเปนอนภาคพนฐานทไมสามารถแยกแยะได (แยกไมได
วา อเลกตรอน ก หรอ อเลกตรอน ข)
• ในแตละระดบชนพลงงานของอะตอม จะบรรจอเลกตรอนไดเพยง
หนงตวเทานน
• (ทพดมาทงหมด เปนแบบจำลองอยางงาย ของจรงไมใชแบบน)
Wolfgang Pauli 1900-1958
ฟสกสนวเคลยร
Antoine Henri Becquerel
1852-1908
Pierre Curie
1859-1906
Marie Curie
1867-1934
• เปนการศกษาองคประกอบภายในใจกลางของอะตอม หรอ นวเคลยส (Nucleus) นนเอง
• ในป 1896 นกฟสกสชาวฝรงเศส Antoine Henri Becquerel ไดคนพบรงสทมความสามารถในการทะล
ทะลวงสงโดยบงเอญ รงสนเกดจากแรทชอพชเบลนด ซงมธาตยเรเนยมเปนองคประกอบ
• ตอมาในป 1898 Marie Curie & Pierre Curie ไดสกดธาตบรสทธออกจากแรพชเบลนด ไดเปน
เรเดยม และ ยเรเนยม ซงพบวามการปลดปลอยรงสเหมอนกบท Becquerel พบ
• รงสน ถกเรยกวา กมมนตรงส และสสารทสามารถใหกมมนตรงสได เรยกวา สารกมมนตรงส
Pitchblende
องคประกอบของนวเคลยส
• นวเคลยสของอะตอม ประกอบดวยสองสวน คอ โปรตอน (Proton) ทมประจบวก และ
นวตรอน (Neutron) ทเปนกลางทางไฟฟา
• มวลของโปรตอนและนวตรอนมคาเทากบ
• โดย u คอหนวย unified atomic mass unit หรอยออกอยางวา amu
สญลกษณนวเคลยร• เปนวธระบจำนวนโปรตอนและนวตรอนใน
นวเคลยสของธาตตางๆ
• X คอ สญลกษณอะตอมทบอกชนดของธาต
• Z คอ เลขอะตอม (Atomic number) ทบอก
จำนวนโปรตอนในนวเคลยส
• A คอ เลขมวล (Mass number) ใชบอกจำนวน
โปรตอนกบนวตรอนรวมกน
• ดงนน จำนวนนวตรอน N มคา N= A-Z
ไอโซโทป (Isotope)
• เราอาจเจอนวเคลยสทมจำนวนโปรตอนเทากน แตจำนวนนวตรอนตางกน
• เนองจากจำนวนโปรตอน เปนตวบงบอกชนดของธาต ถาอะตอมสองตวม
โปรตอนเทากน นนหมายความวา เปนอะตอมของธาตเดยวกน
• เราเรยกธาตทมจำนวนโปรตอนเทากน แตจำนวนนวตรอนตางกน วา ไอโซโทป
(Isotope)
• ถงแมจะเปนธาตเดยวกน แตการทมจำนวนนวตรอนตางกน ทำใหสมบตทาง
นวเคลยรของไอโซโทปตางๆแตกตางกนออกไป เชน
เสถยร ไมเสถยร
แรงนวเคลยรและพลงงานยดเหนยวภายในนวเคลยส• แรงนวเคลยร
• ทำไมโปรตอนซงมประจบวก ถงอยรวมกนไดในพนทเลกๆในนวเคลยส?
• แรงทชวยทำใหโปรตอนเหลานและนวตรอนสามารถอยรวมกนไดคอ แรง
นวเคลยร (Nuclear force) โดยในปจจบน เราอาจเรยกวา strong force
• แรงนวเคลยรจะไมขนกบประจ ทำใหมผลตอทงโปรตอนและนวตรอน และม
ผลในระยะไมเกน 10-15m เทานน
• พลงงานยดเหนยวภายในนวเคลยสc คออตราเรวแสง
m คอมวลE คอพลงงาน
กระบวนการสลายตว (Decay process)
©kentchemistry
• นวเคลยสทเสถยรจะไมมการสลายตว (Decay)
และจะคงสภาพเชนนนตลอดไป
• แตนวเคลยสทไมเสถยร จะมการสลายตวเกดขน
พรอมๆกบการปลดปลอยรงส (Radiation)
• กระบวนการสลายตวน เราเรยกวา
กมมนตรงส (Radioactivity)
• แบงออกเปนประเภทยอยตามรงสทเกดขน 4 ชนดคอ
1. การสลายตวแอลฟา (α)
2. การสลายตวเบตา (β-)
3. การสลายตวโพซตรอน (β+)
4. การสลายตวแกมมา (γ)
กระบวนการสลายตว (Decay process)
พลงงานการแยกสลาย
แอนไทนวตรโน
นวตรโน
อะตอมในสถานะถกกระตน
การจำแนกประเภทของกมมนตรงส
• เนองจากรงสมประจ เมอรงสเคลอนทผาน
สนามแมเหลก จะมการเปลยนทศทางการ
เคลอนท
• ทำใหเราสามารถรไดวา รงสทเปลงออก
มามาจากกระบวนการสลายตวแบบใด
©วชาการ.คอม
อตราการสลายตว และครงชวต (Half-Life)