Nuclear Reaction

ปฏิกิริยานิวเคลียร (Nuclear Reaction) สวนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา โปรตอนและนิวตรอนเขาไปในชน Nucleus ทําให Nucleus แตก ออก ปฏิกิริยานิวเคลียร มีสวนสําคัญคือ 1. ปฏิกิริยา Nuclear เกิดในนิวเคลียส ตางจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับอิเลกตรอนภายในอะตอม 2. ปฏิกิริยา Nuclear ตองใชพลังงานเปนจํานวนมากเพื่อจะทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส 3. แรงจากปฏิกิริยา Nuclear เปนแรงแบบใหม เรียก แรงนิวเคลียร ซึ่งมีอันตรกริยาสูง และอาณา เขตกระทําสั้นมากและแรงนีเ้ กิดระหวางองคประกอบของนิวเคลียสเทานั้น 4. ในปฏิกิริยานิวเคลียส เราสามารถนํากฎตางๆ มาใชไดเปนอยางดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน กฎทรงมวล และการคงที่ของประจุไฟฟา สมการ Nuclear จะเขียนอยูในรูปของ x+a Æ y+b x = นิวเคลียสที่เปนเปา

, y = นิวเคลียสที่เกิดใหม

a = อนุภาคที่วิ่งชน

, b = อนุภาคทีเ่ กิดใหม

จากขางบน สามารถเขียนยอไดวา x(a,b)y และเรียกปฏิกิริยาวา (a,b) ของ Nucleus x พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร พลังงานจากปฏิกิริยาเกิดจากมวลสวนที่หายไปในปฏิกิริยา ∆m = มวลกอนปฏิกิรยิ า – มวลหลังปฏิกิริยา ในหนวย u พลังงาน (E) =∆m x 931 MeV

ปฏิกิริยาฟชชัน่ (Fission) เปนปฏิกิริยาแยกตัวของนิวเคลียส โดยมีนวิ ตรอนเปนตัววิ่งเชาชน นิวเคลียสหนัก (A>230) เปนผลทําใหไดนิวเคลียสที่มีขนาดปานกลาง และมีนิวตรอนที่มีความเร็วสูง เกิดขึ้นประมาณ 2-3 ตัว ทั้งมีการคายพลังงานออกมาดวย เชน ปฏิกิริยาลูกโซ ดังสมการ

94 1 U + 01n ⎯ ⎯→140 54 Xe + 38 Sr + 2 0 n + γ + 200

235 92

MeV

นิวเคลียสขนาดกลางที่เกิดขึ้นนี้ เรียกวา Fission Fragment ซึ่งมีอัตราสวนของมวลประมาณ 1.5 แสดงการยิงนิวตรอนเขาชนนิวเคลียสของ 235U92 เกิดปฎิกิรยิ าลูกโซ เตาปฏิกรณนวิ เคลียร (Nuclear Reactor) เปนเครื่องมือทีใ่ ชในการผลิตพลังงานนิวเคลียร โดยที่เราสามารถ ควบคุมการเกิดฟชชั่นและปฏิกิริยาลูกโซได พลังงานทีไ่ ดเราสามารถนําไปใชในการผลิตกระแสไฟฟาได ปฏิกิริยาฟวชัน่ (Fusion) เปนปฏิกิริยาหลอมตัวของนิวเคลียสและมีพลังงานคายออกมาดวย นิวเคลียสที่ใชหลอดจะตองเปนนิวเคลียสเล็กๆ (A<20) หลอมรวมกลายเปนนิวเคลียสเบาที่ใหญกวาเดิม ในปจจุบันเชื่อกันวาบนดาวฤกษตางๆ พลังงานมหาศาลทีป่ ลอยออกมาเกิดจากปฏิกิริยาฟวชั่นทัง้ สิ้น ตัวอยางของปฏิกิริยาฟวชั่นที่ทําไดในหองปฏิบัตกิ าร ⎯→13 H + 11H + 4 MeV 1) 12 H + 12H ⎯

2)

2 1

H + 23He ⎯ ⎯→ 24 He+ 11H + 18.3

3)

2 1

H + 12H ⎯ ⎯→ 23 He + 01n + 3.3

MeV

H + 13H ⎯ ⎯→ 24 H + 01n + 17.6

MeV

4)

2 1

MeV

ตัวอยางของปฏิกิริยาฟวชัน่ ที่เกิดขึ้นบนดาวฤกษ 1)

1 1

H + 11H ⎯ ⎯→ 22 H + +10 e + 0.4

MeV

2)

2 1

H + 12H ⎯ ⎯→ 23 He + 01n + 5.5

MeV

3)

3 1

He+ 13He ⎯ ⎯→ 24 He + 211H + 12.9

MeV

4)

15 7

N + 11H ⎯ ⎯→122 C + 24He + 4.9

MeV

ขอสังเกต จะเห็นวาในแตละปฏิกิริยาของฟชชัน่ และฟวชั่นเมื่อเทียบพลังงานแลว ในฟชชั่นหนึง่ ปฎิกิริยาจะ ใหพลังงานมากกวาฟวชั่นหนึ่งปฏิกิริยา แตในขนาดมวลที่พอกันของสารที่ทําใหเกิดฟวชั่น (เชน 1H1) กับ สารที่ทําใหเกิดฟชชั่น (เชน U235) จํานวนปฏิกิริยาฟวชัน่ จะมากกวาฟชชัน่ มากเปนผลทําใหพลังงานรวมที่ได จากฟวชั่นมากกวาฟชชัน่ นั่นเอง… ตัวอยาง ในการทําปฏิกิริยาฟวชั่น โดยใชดิวทีเรียม (2H1) พบวาขบวนการของปฏิกิริยาเปนดังนี้ 2 1

2 1

H + 12H ⎯ ⎯→13 H + 11H + 4

H + 13H ⎯ ⎯→ 24 He + 01n + 17.6

MeV MeV

อยากทราบวา…….ถาในน้ําทะเลมีดิวทีเรียมประมาณ 5x1018 อะตอม ถานํามาทําใหเกิดฟวชั่นหมดจะได พลังงานเทาใด วิธีทํา จากสมการปฏิกิริยาที่โจทยกําหนดให ทําการรวมสมการเขาดวยกันทั้ง 2 ขาง จะได 312 H ⎯ ⎯→ 24 He + 11H + 01n + 21.6

MeV

จากสมการดิวทีเรียม 3 อะตอม เกิดฟวชัน่ ใหพลังงาน =

21.6 × 5 × 1018 3

= 3.6 x 1019 MeV ∴ พลังงานที่เกิดจากฟวชั่น = 3.6 x 1019 x 1.6 x 10-19 x 1016 = 5.76 x 1016 จูล สรุป 1) ปฏิกิริยานิวเคลียร 1.1 การหานิวเคลียสของธาตุจากปฏิกิริยา ใชหลักดังนี้ 1) ผลรวมของประจุทางซายมือและขวามือของสมการมีคา เทากัน

2) จํานวนนิวคลีออนทางซายมือและขวามือของสมการมีคาเทากัน 1.2 การคํานวณพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร มีหลักดังนี้ 1) ถามวลรวมกอนเกิดปฏิกิรยิ า > มวลรวมหลักเกิดปฏิกิริยา ; ปฏิกิริยานี้จะคายพลังงาน ถามวลรวมกอนเกิดปฏิกิริยา < มวลรวมหลังเกิดปฏิกิริยา ; ปฏิกิริยานี้จะดูดพลังงาน 2) พลังงานที่คายหรือดูดจะหาไดจาก ผลตางของมวลรวมกอนทําปฏิกิริยากับหลังทําปฏิกิริยาคูณ ดวย 931 โดยมวลอยูในหนวย amu และพลังงานอยูในหนวย MeV 3) มวลที่ใชอาจเปนมวลนิวเคลียสโดยตรง หรือ มวลอะตอมก็ตองเปนมวลอะตอมหมดจะปนกัน ไมได นิวเคลียสก็ตองเปนนิวเคลียสหมด หรือมวลอะตอมก็ตองเปนมวลอะตอมหมดจะปนกันไมได 2) ปฏิกิริยาฟชชั่น เปนปฏิกิริยาที่เกิดจากการยิงนิวตรอนเขาชนนิวเคลียสของธาตุหนัก (A>230) เปนผลใหได นิวเคลียสที่มีขนาดปานกลาง 2 นิวเคลียส พรอมทั้งนิวตรอนประมาณ 2-3 ตัว และการมีการปลดปลอย พลังงานออกมาดวย 3) ปฏิกิริยาลูกโซ เปนปฏิกิรยิ าฟชชั่นสามารถเกิดขึ้นไดอยางตอเนื่องหลังจากยิงนิวตรอนตัวแรกเขาชน นิวเคลียสของธาตุหนัก 4) ปฏิกิริยาฟวชั่น เปนปฏิกิริยาหลอมตัวของนิวเคลียสธาตุเบากลายเปนนิวเคลียสธาตุเบาที่หนักกวาเดิม และ มีการคายพลังงานออกมาดวย ขอควรจํา

1) ปฏิกิริยาฟชชั่น 1 ปฏิกิรยิ า จะใหพลังงานมากกวาปฏิกิริยาฟวชัน่ 1 ปฏิกิริยา

2) ขนาดของมวลนิวเคลียสที่เทากันเขากันทําปฏิกิริยาฟชชัน่ และปฏิกิริยาฟวชั่น พลังงานที่ เกิดจากปฏิกิริยาฟวชัน่ จะมากกวาพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาฟชชั่น