ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction)
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction) คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบซึ่งเกิดจากการยิงด้วยนิวคลีออน หรือกลุ่มนิวคลีออน หรือรังสีแกมมา แล้วทำให้มีนิวคลีออนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสหรือออกไปจากนิวเคลียสหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงจัดตัวใหม่ภายในนิวเคลียส สามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาได้ดังนี้
หรือ
โดยที่ X เป็นนิวเคลียสที่เป็นเป้า , a คืออนุภาคที่วิ่งเข้าชนเป้า , b คืออนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่หลังจากการชน และ Y คือนิวเคลียสของธาตุใหม่หลังจากการชน
เช่น แสดงถึงว่า เป็นนิวเคลียสเป้าหมายที่ถูกยิง เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เกิดขึ้น n คือนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ใช้ในการยิง และ เป็นรังสีที่เกิดขึ้นใหม่ เป็นต้น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ส่วนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา โปรตอนและนิวตรอนเข้าไปในชน Nucleus ทำให้ Nucleus แตกออก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีส่วนสำคัญคือ
1. ปฏิกิริยา Nuclear เกิดในนิวเคลียส ต่างจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับอิเลกตรอนภายในอะตอม
2. ปฏิกิริยา Nuclear ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส
3. แรงจากปฏิกิริยา Nuclear เป็นแรงแบบใหม่ เรียก แรงนิวเคลียร์ ซึ่งมีอันตรกริยาสูง และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสเท่านั้น
4. ในปฏิกิริยานิวเคลียส เราสามารถนำกฎต่างๆ มาใช้ได้เป็นอย่างดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน กฎทรงมวล และการคงที่ของประจุไฟฟ้า
ข้อควรจำ
1. ในสมการของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหลายที่เกิดขึ้น ผลรวมของเลขอะตอมก่อนเกิดปฏิกิริยาและภายหลังปฏิกิริยาย่อมเท่ากัน และผลรวมของมวลอะตอมก่อนเกิดปฏิกิริยาและภายหลังปฏิกิริยาย่อมเท่ากัน เช่น ปฏิกิริยา
เขียนได้เป็น
เลขอะตอมคือ 7 + 2 = 8 + 1
มวลอะตอมคือ 14 + 4 = 17 + 1
2. ในปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นพลังงาน หรือ มวล-พลังงาน (mass – energy) ก่อนปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากันเสมอ ซึ่งเป็นไปตามกฎทรงพลังงาน ดังเช่น ในการยิงอนุภาคโปรตอนไปยังนิวเคลียสของลิเทียมแล้วทำให้เกิดนิวเคลียสของฮีเลียม 2 นิวเคลียส ดังสมการ
โดยที่ มีมวล 7.0160 u มีมวล 4.0026 u
มีมวล 4.0026 u
มวลก่อนเกิดปฏิกิริยา = 7.0160 u + 1.0078 u = 8.0238 u
มวลหลังเกิดปฏิกิริยา = 4.0026 u + 4.0026 u = 8.0052 u
มวลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยามากกว่ามวลรวมหลังปฏิกิริยา = 8.0238 u - 8.0052 u = 0.0186 u
แต่มวลสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้โดย E = 0.0186 u × 931 MeV = 17.32 MeV
โดยพลังงานที่ให้ออกมาอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ จึงเรียก ว่าพลังงานนิวเคลียร์ ดังนั้นเขียนสมการข้างต้นใหม่ได้ว่า
ปฏิกิริยานิวเคลียร์บางปฏิกิริยาต้องดูดพลังงานเข้าไปจึงจะเกิดปฏิกิริยาขึ้นได้ เช่น ปฏิกิริยา เขียนเป็นสมการได้
โดยที่ มีมวล = 14.003074 u มีมวล = 4.002603 u
มีมวล = 18.005677 u มีมวล = 1.007825 u
มวลก่อนเกิดปฏิกิริยา = 14.003074 u + 4.002603 u = 18.005677 u
มวลหลังเกิดปฏิกิริยา = 18.005677 u + 1.007825 u = 18.006958 u
ผลต่างของพลังงานก่อนเกิดปฏิกิริยากับหลังเกิดปฏิกิริยามีค่าดังนี้
E = (18.005677 u – 18.006958 u) × 931MeV = -1.193 MeV
ดังนั้น เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ขึ้นจะต้องให้พลังงานแก่ โดยเขียนเป็นสมการได้
สรุปปฏิกิริยานิวเคลียร์
1. การหานิวเคลียสของธาตุจากปฏิกิริยา ใช้หลักดังนี้
ผลรวมของประจุทางซ้ายมือและขวามือของสมการมีค่าเท่ากัน
จำนวนนิวคลีออนทางซ้ายมือและขวามือของสมการมีค่าเท่ากัน
2. การคำนวณพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีหลักดังนี้
ถ้ามวลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยา > มวลรวมหลักเกิดปฏิกิริยา ; ปฏิกิริยานี้จะคายพลังงาน
ถ้ามวลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยา < มวลรวมหลังเกิดปฏิกิริยา ; ปฏิกิริยานี้จะดูดพลังงาน
พลังงานที่คายหรือดูดจะหาได้จาก ผลต่างของมวลรวมก่อนทำปฏิกิริยากับหลังทำปฏิกิริยาคูณด้วย 931 โดยมวลอยู่ในหน่วย amu และพลังงานอยู่ในหน่วย MeV
มวลที่ใช้อาจเป็นมวลนิวเคลียสโดยตรง หรือ มวลอะตอมก็ต้องเป็นมวลอะตอมหมดจะปนกันไม่ได้
นิวเคลียสก็ต้องเป็นนิวเคลียสหมด หรือมวลอะตอมก็ต้องเป็นมวลอะตอมหมดจะปนกันไม่ได้
แหล่งที่มาของข้อมูล: