Nuclear Use

27
บทที5 ฟิสิกส์นิวเคลียร์ เชื่อว่านักเรียนคงเคยได้อ่านประวัติของระเบิดปรมาณู ในสงครามโลกครั้งที2 มาบ้างแล้ว และ ตอนนี้ก็มีภาพยนตร์ที่แสดงถึงความพินาศย่อยยับหลังการเกิดระเบิดออกมาให้ดูเรื่อยๆ ดังเช่น คนเหล็ก และ วันล้างโลก เป็นต้น หลายประเทศกาลังวิตกเรื่องภัยคุกคามจากนิวเคลียร์ มีการออกมาตรการต่างๆ เพื่อ จากัดอาวุธนิวเคลียร์ และเซ็นสัญญาการจากัดการพัฒนาพลังงานหรืออาวุธนิวเคลียร์กันขึ้น ในขณะที่บาง ประเทศไม่เห็นด้วยกับสัญญา และกาลังเร่งสะสมอาวุธนิวเคลียร์ ตัวอย่างเช่น อินเดีย ปากีสถาน อิหร่าน และเมื่อเร็วๆนีประเทศเกาหลีเหนือได้ทดลองอาวุธนิวเคลียร์ โดยอ้างความจาเป็นในการป้องกันตนเอง เป็นต้น เพื่อทาความเข้าใจและเรียนรู้ นักเรียนจะได้ศึกษาความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับนิวเคลียร์ดังต่อไปนี5-1 นิวเคลียสและชนิดของนิวเคลียส เมื่อประมวลสาระสาคัญการศึกษาโครงสร้างอะตอม ตั้งแต่รัทเทอร์ฟอร์ดศึกษาเรื่องการกระเจิงของ อนุภาคแอลฟา ในปี ค.ศ. 1914 ก่อให้เกิดประโยชน์ต่อการศึกษาโครงสร้างอะตอม ทาให้รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่า ประจุบวกในอะตอมเกิดจากอนุภาคโปรตอน ซึ่งมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1831 เท่า และอยูแกนกลางอะตอม เรียกว่า นิวเคลียส (nucleus) มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่โดยรอบ จานวนอิเล็กตรอนในอะตอม เรียกว่า เลขเชิงอะตอม (atomic number, Z) ซึ่งมักจะเท่ากับจานวนโปรตอน จึงทาให้อะตอมเป็นกลาง เมื่อ เปรียบเทียบมวลอะตอม (atomic mass) และเลขเชิงอะตอมของธาตุต่างๆ พบว่าอะตอมมีค่าของมวล อะตอมหรือน้าหนักมากกว่าเลขเชิงอะตอมประมาณ 2 เท่า โดยที่โปรตอนหนักประมาณ 1 amu (atomic mass unit) ในขณะที่อิเล็กตรอนหนัก 0.00055 amu ดังนั้น ภายในอะตอมต้องมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง ที่มี น้าหนักใกล้เคียงกับโปรตอน และมีประจุเป็นกลาง ก็คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งค้นพบโดยแชดวิก (Chadwick) ในปี ค.ศ. 1932 นั่นเอง แสดงว่า มวลอะตอมมีค่าเท่ากับน้าหนักรวมของโปรตอนบวกน้าหนักรวมของ นิวตรอนและบวกน้าหนักรวมของอิเล็กตรอน ซึ่งมีความหมายต่างจากเลขเชิงมวล (mass number, A) ที่มี ค่าเท่ากับจานวนนิวตรอนบวกจานวนโปรตอน จากการศึกษา สามารถอธิบายโครงสร้างของอะตอมว่า อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งมีประจุ บวกเป็นมวลเกือบทั้งหมด รวมกันอยู่ที่บริเวณแกนกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มี ประจุลบเคลื่อนที่อยู่รอบๆ นิวเคลียส ในระยะที่ห่างออกมามาก แรงที่ยึดระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส เรียกว่า แรงคูลอมบ์ (coulomb force) ในสภาวะปกติ อะตอมมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นจานวน ประจุบวกและประจุลบจะเท่ากัน และจากการศึกษาต่อมา ทาให้ทราบว่า อนุภาคภายในนิวเคลียสคือ

description

Physics

Transcript of Nuclear Use

  • 5

    2 5-1 .. 1914 1831 (nucleus) (atomic number, Z) (atomic mass) 2 1 amu (atomic mass unit) 0.00055 amu (Chadwick) .. 1932 (mass number, A) (coulomb force)

  • - 2

    5-1 5-1

    () 0

    1,e e 9.1095 x 10-28 -1e

    11,p H 1.6726 x 10

    -24 +1e

    10,n n 1.6749 x 10

    -24 0 1e = 1.6 x 10-19 C (coulomb) = 4.8 x 1010 esu (electrostatic unit) ; 1.66 x 10-27 kg = 1 u (nucleus species) (nuclide)

    A

    NX A

    Z X A

    Z X X

    Z (atomic number) A (mass number) N (neutron number) A Z N Z A N N A Z

    (nucleon) ( )A = 17 ( )Z = 8 ( )N = 17-8 = 9 = 17 178O

  • - 3

    (nuclear stability) 2 (stable nuclide) (radioactive nuclide or radionuclide) (isotope) (stable isotope) (radioactive isotope or radioisotope) 3 1 2 3, ,H H H 4 11 12 13 14, , ,C C C C (platinum, Pt ) 29 (isobar) 29 29 29, ,Al Si P (isotone) 14 15 16, ,C N O 8 (isodiaphere) N Z 30 32 34, ,Si P S 3 N Z 2 (isomer) ( ) (m, metastable state) 59 59,Co Co 137 137, mBa Ba 59 Co 137mBa 59Co 137Ba

  • - 4

    (theory of relativity)

    2E mc

    (atomic mass unit) amu u

    1 amu 1

    12 ( 12C )

    1.6605655 x 10-27 kg amu 5-2 5-2 amu

    (amu) 0.000548 1.007276 1.008665

    m c (2.9979 x 108 m/s) 1 amu E

    2mc . (1 amu) (1.66056 x 10-27 kg) (2.9979 x 108 m/s)2 1.492412 x 10-10 J 931.48 MeV 1 amu 931.5 MeV 1 amu 931.5 MeV 1 eV (electron volt) 1 1 1 eV 1.602189 x 10-19 J 1.6 x 10-19 J 5-1 1 E

    2mc . (9.1095 x 10-31 kg) (2.9979 x 108 m/s)2 8.1871 x 10-14 J 0.511 MeV

    5-2

  • - 5

    (head on) 180 3.0 10-14 m

    =

    d

    Zeek

    r

    qqkmv ee

    2

    2

    1 212

    2

    24

    mv

    Zekd e

    (100 MeV 1 GeV) (20 MeV ) ( A )

    R 1

    30R A (5-1)

    0R ( 1.2 x 10-15 1.48 x 10-15 m) 0R 1.2 x 10-15 m 1 (Fermi) 10-15 m (5-1)

    R 1.21

    3A Fermi (5-2)

    R (V) 343

    R

    = 4

    3 (0

    3) (5-3)

    (mp) (m) m = A mp

    5-3

  • - 6

    ()

    =

    4

    30

    3 =

    3

    403 (5-4)

    A

    5-2 65

    30Zn 238

    92U (5-2) 1.2 x (65)

    1

    3 4.824 Fermi 1.2 x (238)

    1

    3 7.437 Fermi 5-3 2

    4 37

    (5-4)

    = 3

    403

    He = Li =

    = 3 x 1.67 x 1027

    4(1.2 x 1015 )3

    = 2.3 x 1017 /3 5-4 (deuteron) (deuterium, 1

    2 ) 1 1 () 1.008665 amu () 1.007276 amu + 1.008665 1.007276 amu 2.05941 amu 2.013554 amu

  • - 7

    (mass defect, ) 2.05941 2.013554 amu 0.002387 amu amu = 2 0.002387 amu x 931.5 MeV/amu ( 1 amu = 931.5 Mev) 2.2235 MeV

    (Binding Energy, . .) . . = [ + ( ) ]x 931.5 MeV (5-4)

    Z A A Z m amu M

    em

    M em Zm = (5-4) . .B E 931.5p n eZm A Z m M Zm MeV (5-5)

    931.5p e nZm Zm A Z m M MeV

    931.5p e nZ m m A Z m M MeV

    . .B E 931.5H nZM A Z m M MeV (5-6)

    HM 1.007825 amu

  • - 8

    energy per nucleon, . .B E / nucleon) 2

    . .B E / nucleon 2.22 / 2 1.11 MeV

    5-4 20983Bi

    208.980388 amu (5-6) . .B E 931.5H nZM A Z m M MeV

    [83(1.007825) + (209 83)(1.008665) 208.980388] 931.5 MeV 1640.25 MeV

    / = 1640.25209

    = 7.848 /

    5-5 (Nuclear Stability) 2

    (Decay) 92238

    2

    - (A) 209 ( 83

    209 ) A Z2 A Z

    - () 0 (N/Z) A < 40 1 2

    4 , 612 , 1123 13

    27 A > 40 1 1.5 ( A 207-208) 28

    62 , 50114 , 82

    208 , 83209

    2.22 MeV (binding

  • - 9

    5-1

    N=Z 20 20

    2 Pairing

    1) - - 2) - -

    - 3) 4 - -

    12 , 3

    6 , 510 714

    5-3 :

    : : : :

    162 55 49 4

  • - 10

    / 8 1011 kJ/kg 4.7 104 kJ/kg 17

    5-2 ( A ) 20-209

    1,400 (natural radionuclide) 1740 , 90232 , 90238 (artificial radionuclide) 1928 , 1328 , 92239 5-6 .. 1896 .. 1898 2 .. 1879 .. 1900 (Paul Villard)

    MeV 2.22 MeV () 1640 MeV ( 209)

  • - 11

    3 (Alpha ray) , (Beta ray) (Gamma ray) 5-4

    / Alpha ray Beta ray Gamma ray , 24 , +10 (+), 10 () +2e :

    :

    4u me -

    cm cm

    5-3

    5-7 (decay) - 1

    (Radioactivity element)

  • - 12

    A

    = N

    = N (5-7)

    s-1 1 1 (5-9) A SI (Becquerel) 1 s (1 event/sec 1 disintegration/sec) 1 (Bq) 1 s-1 (Curie, Ci) ( 226

    88Ra ) 1 g 1 Ci = 3.70 1010 Bq (t = 0) = 0N t (5-9)

    0 0

    N t

    N

    dNdt

    N

    0

    tN N e (5-8)

    take loge ln = + ln 0 (5-9) (5-8) (law of radioactive decay) (half-life)

    12

    T 02

    NN (5-8)

    1

    200

    2

    TNN e

    1

    2

    0.693T

    (5-10)

    (average lift time, )

    N

    (activity)

  • - 13

    = 1

    = 1/2

    0.693 (5-11)

    curie : Ci

    1 Ci () = 3.7 1010 decay /s = 3.71010 becquerel (Bq)

    5-4

    5-4 (activity) -222 1000 g 3.8 60%

    1

    2

    0.693

    T

    0.6933.8 86, 400( )( / )d s d

    2.1 10-6 s -1

    =

    00

    0 dN = No etdt

    = 0

  • - 14

    2.7 1018 1000 g A N (2.1 10-6 s-1)(2.7 1018 nuclei) 5.7 10-12 Bq 60 % N 0

    tN e

    t 01 ln NN

    N (1 - 0.6) = 0.4 0N

    t 3.8d 1

    ln0.693 0.4

    5.02 5.02 60%

    5-5 -14 2.8 107 Bq -14 5730 . s-1 . -14 . 1000 . 4

    . 1

    2

    0.693

    T

    7

    0.693

    5730 315 10( )( / )y s y

    3.84 10-12 s-1 . A N N -14

    N 7

    12 1

    2.8 10

    3.84 10

    Bq

    s

    7.3 1018

    = 222 amu 1000 g

    N 27-6

    10 kg-

    (222amu)(1.66 10 kg/amu)

  • - 15

    . -14 4

    N 4

    0

    1

    2N

    1.7 106 Bq

    5-8 5-8-1 ( -particle) 4

    2He 2 2 +2 e 4.00516 amu 83 2 2 (excited state)

    4 4

    2 2

    A A

    Z ZP D He Q

    (5-12)

    ZAP (parent nuclide) 4

    2

    A

    Z D

    (daughter nuclide)

    239 235 4

    94 92 2Pu U He

    235 231 492 90 2U Th He

    232 228 490 88 2Th Ra He

    5-8-2 ( -particle, 01e ) 0.00055 amu -1 e (neutron excees) (5-13)

    . N 0

    tN e

    ( 2.8107 Bq )exp(-(3.8410-12s-1)(3.141010s) 2.48 107 Bq [ 1000 = (60 x 60 x 24 x 365) x 1000 = 3.14 x 1010 s ]

  • - 16

    32 32 0

    15 16 1P S e

    27 27 012 13 1Mg Al e

    60 60 027 28 1Co Ni e

    140 140 056 57 1Ba La e

    5-8-3 ( -particle, 0

    1e ) 0.00055 amu (proton excees)

    p n e (5-15)

    0

    1 1

    A A

    Z ZP D e Q (5-16) 13 13 07 6 1N C e

    12 22 011 10 1Na Ne e

    30 30 015 14 1P Si e

    59 59 029 28 1Cu Ni e

    5-8-4 (electron capture) 1.02 MeV

    p e n (5-17)

    1 1 0

    0 1 1n H e (5-13) (5-14)

    0

    1 1

    A A

    Z ZP D e Q (5-14)

  • - 17

    0

    1 1

    A A

    Z ZP e D Q (5-18)

    5-5

    55 0 5526 1 25Fe e Mn

    48 0 4823 1 22V e Ti X ray

    64 0 6429 1 28Cu e Ni X ray

    125 0 12553 1 52I e Te X ray 5-8-5 E h 10-11 s 1 137Cs ( 137Ba ) 2.55 (metastable state) m 137mBa 99mTc 99Mo 6.02

    K (K-shell) (K-capture) L M K (auger electron)

  • - 18

    5-8-5

    ()

    4 5-5

    5-5

    (series) () 4n Thorium Th90232 Pb82208

    4n+1 Neptunium Np93237 Ti81205 4n+2 Uranium U92238 Pb82206 4n+3 Actinium U92235 Pb82207

    5-6 Thorium (4n)

    1eV 7 MeV (isomeric transition)

    Am A

    Z ZX X (5-19)

  • - 19

    7.68 MeV , (5-20)

    14 17

    7 8( , )N p O

    -214

    - (5-20) 14.00307 amu 16.99913 amu 4.00260 amu 1.00783 amu 18.00567 amu 18.00696 amu 9 0.00129 amu (1amu = 931.5 MeV) 1.20 MeV 1.20 MeV

    5-9 5-9-1 (bombardment) 1 1 .. 1919

    14 4 17 1

    7 2 8 1N He O H (5-20)

  • - 20

    11 115 6( , )B p n C

    : -11 -11

    + 611 + 0

    1 11

    511

    A x B y

    ( , )A x y B

    + +

    Q Q = [ - ] c2

    2[( ) ( )]A x B yQ m m m m c (5-21)

    Am , Bm A , B xm , ym Q Q

    5-9-2 5-5

  • - 21

    + 5.70 MeV Q

    .. 1932 (J.D. Cockcroft) (T.S. Walton)

    7 4 4

    3 2 2Li p He He (5-22)

    Q 17.3 MeV 2

    27 30

    13 14( , )Al p Si 27 30

    13 15( , )Al n Si 27 25

    13 12( , )Al d Mg 9 8

    4 4( , )Be n Be 27 26

    13 12( , )Al p Mg

    5-9-3 (Nuclear fission) 2 2-3 ..1939 2 (Otto Hahn) (Fritz Strassman) 2 2-3 2

    235 1 144 89 1

    92 0 56 36 03U n Ba Kr n Q

    5-6 Q 9 124 6( , )Be n C

    + 612 + 0

    1 24

    49

    Q 2 931.5[ ( )]Be c nm m m m c MeV

    [9.01219 + 4.00260 (12.0000 + 1.00867)]c2 931.5

  • - 22

    5-7 U-235

    U-235

    235 1 140 94 1

    92 0 54 38 02U n Xe Sr n Q (5-23)

    (5-23) 140 140 140 140 140

    54 55 56 57 58Xe Cs Ba La Ce

    94 94 9438 39 40Sr Y Zr

    (5-24) -235 -140 (Xenon-140) -94 (strontium-94) 6 -140 (Cerium-140) -94 (Zirconium-94) 235.0439 amu Ce 139.9054 amu 1.0087 amu Zr 93.9036 amu 236.0521 amu 2 2.0173 amu 6 0.0033 amu 235.8296 amu = 0.223 amu = 207.7 MeV ( Q ) 4 9 MeV 2-3 (chain reaction)

  • - 23

    2 - (the proton-proton cycle) 2

    1 1 2

    1 1 1H H H e

    ()

    2 1 3

    1 1 2H H He 2 2

    3 3 4 1 1

    2 2 2 1 1He He He H H

    5-8 () 4 1

    5-9-4 (Nuclear Fusion) 2

  • - 24

    (10-5 m) 2 10-5 m 1.1 10-13 J 0.7 MeV 0.7 MeV T 3 kT/2 k 1.1 10-13 J 5 109 K (carbon cycle)

    1 12 13

    1 6 7H C N 2.0 MeV 13 13

    7 6N C e 1.2 MeV

    1 13 14

    1 6 7H C N 7.6 MeV 1 14 15

    1 7 8H N O 7.3 MeV 15 15

    8 7O N e 1.7 MeV

    1 15 12 4

    1 7 6 2H N N He 4.9 MeV

    1 -12 -12 24.7 MeV - -235 200 MeV 24.7 MeV 7 1 5-9-5

    () 4 4.03132 amu ( 2 ) 1 4.00370 amu 0.02762 amu

    25.7 MeV 1 2 1023 57,000 kW.hr 3

  • - 25

    (Neutron activation analysis) -235 -239 (1 ) 6 .. 1945 -235 3 -239

    (Nuclear reactor) 27 .. 2505 131I , 99Tc 32P

  • - 26

    ) / ( A ) [ 1.6 10-17 kg/m3, 1.61 10-17 kg/m3]

    2. -10 -57 [ 2.4, 6.4 Fermi] 3. X A

    Z X ) Z = 7, N = 8 ) A = 23, N = 12 ) Z = 29, A = 64 4. -40 ( 20) [ 342

    MeV, 8.55 MeV/nucleon] 5. -16 ( 8) [

    127.6 MeV , 7.97 MeV/nucleon] 6. 52Cr 56F

    [8.78, 8.79 MeV] 2H 3He [ 1.11, 2.57 MeV]

    7. ) 3 31 2 ...............H He ) 146 462 2...............Sm He ) 12 127 12 ...............N C

    [ 142

    60, ,Nd ]

    8. -14 = 18.5 1010 Bq

    5570 -14 [ 1.09 g]

    1. 21

    10Ne , 108

    47 Ag ) [ 3.72, 6.43 Fermi] ) [ 173.90 10-30 m2, 519.56 10-30 m2] ) [ 214.47 10-45 m3 1113.58 10-45 m3]

  • - 27

    11. 1012 1 1 [ 1.93 108]

    12. - 22 ( 11) 5 mg 1 mg

    = 216 [ 502.9 ] 13. - 200 ( 79) 3 10-9 kg activity 58.9 Ci

    [ 69.06 ] 14. (Curie, Ci ) -226 1620

    activity 1 g 1 Ci 15. -232 ( 232

    90Th ) [ 232 228 4

    90 88 2Th Ra He ] 16. Q ) 13 11

    6 5( , )C d B [ +5.16 MeV] ) 10 7

    5 3( , )B n Li [ +2.79 MeV] ) 14 177 8( , )N p O [ -1.19 MeV] ) 42 41

    20 20( , )Ca p d Ca [ -9.25 MeV] 17. 6 2 43 1 22Li H He 22.4 MeV

    = 2.01355 amu = 4.00260 amu [ 6.05 amu] 18. 12 10( , )C d B Q = -1.35 MeV

    [ 1875.11 MeV] 19. ) 59 6027 27...............Co Co ) 19 1 49 1 2...............F H He ) 1 233 134 10 92 52 02...............n U Te n

    9. -238 1 kg 4.5 109

    (activity) [ 1.24 107 s-1] 10. 5/16 = 1600 [ 6400 ]