แรงนิวเคลียร์

ในธรรมชาติมีธาตุที่มีความเสถียรและไม่เสถียร ภายในนิวเคลียสจะประกอบด้วยแรงที่คอยยึดนิวคลีออนเอาไว้ด้วยกัน เรียกว่า แรงนิวเคลียร์ และ พลังงานที่ใช้ในการยึดนิวคลีออนในนิวเคลียสไว้ด้วยกันเรียกว่า พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ในการพูดถึงพลังงานในระดับอะตอมมักจะใช้หน่วย อิเล็กตรอนโวลต์ (eV)
โดยที่ 1 eV = 1.6 x 10^-19 J เนื่องจากภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุเป็นบวกอยู่ใกล้กันมากๆ ดังนั้น พลังงานที่ใช้จะต้องสูงมากๆ มีการประมาณค่าไว้ถึงขนาดรัศมีของนิวเคลียส ( $R$ )

R equals r subscript 0 space A to the power of 1 third end exponent

เมื่อ

$r subscript 0$ คือค่าคงที่ มีค่าเท่ากับ 1.2 x 10^-15 m
$A$ คือเลขมวล จากสูตรประมาณค่าจะเห็นได้ว่านิวเคลียสนั้นมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของอะตอม
โดยขนาดของอะตอมจะอยูที่ประมาณ 10^-10 m

เมื่อกล่าวถึง พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ที่มาของพลังงานนั้นมาจากที่ใด ลองพิจารณาจากนิวเคลียสของฮีเลียม $blank subscript 2 superscript 4 H e$ จะเห็นว่า ฮีเลียมประกอบด้วย โปรตอน 2 ตัว และ นิวตรอน 2 ตัว เมื่อเราคิดค่ามวลของนิวคลีออนแต่ละตัวในหน่วย atomic unit, u = 1.66 x 10^-27 kg หากเราเป็นค่ามวล 1 u เป็นพลังงาน

ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์จะได้ว่า

E equals m c squared equals 931.5 M e V

มวลของนิวตรอนสองตัว = $2 m subscript n equals 2 left parenthesis 1.008665 u right parenthesis equals 2.017330 u$
มวลของโปรตอนสองตัว = $2 m subscript p equals 2 left parenthesis 1.007825 u right parenthesis equals 2.015650 u$

จะเห็นว่า มวลรวม = 4.032980u แต่มวลตามธรรมชาติของฮีเลียมคือ 4.002603u ซึ่งน้อยกว่าผลรวมมวลของนิวคลีออนแต่ละตัว มีมวลที่หายไปอยู่ 0.030377u โดยที่หายไปจะเปลี่ยนเป็นพลังงานที่ยึดนิวคลีออนเอาไว้ด้วยกันในนิวเคลียส ซึ่งเราเรียกว่า มวลพร่อง (mass defect)

สามารถเขียนสมการของมวลพร่องสำหรับธาตุใดๆ ได้เป็น

capital delta m equals left square bracket Z m subscript p plus left parenthesis A minus Z right parenthesis m subscript n right square bracket minus M

เมื่อ

$Z$ คือจำนวนโปรตอน
$m subscript p$ คือมวลโปรตอน
$m subscript n$ คือมวลนิวตรอน
$A$ คือเลขมวล
$M$ คือมวลของธาตุ พลังงานยึดเหนี่ยวจะมีค่าเป็น $E equals capital delta m c squared$

แต่ลำพังค่าพลังงานยึดเหนี่ยวอาจจะยังไม่สารถบ่งถึงธาตุที่เสถียรได้อย่างชัดเจน นักวิทยาศาสตร์จึงได้นำค่าพลังงานยึดเหนี่ยวที่คำนวณได้ในข้างต้นหารด้วยจำนวนนิวคลีออน เพื่อสะท้อนว่านิวคลีออนแต่ละตัวในนิวเคลียสมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อกันมากน้อยเพียงใด ซึ่งพบว่า ธาตุที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมากจะมีความเสถียรมากกว่า ธาตุที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนน้อย

สมการของพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน เขียนได้เป็น

E over A equals fraction numerator increment m c squared over denominator A end fraction

ตัวอย่างในกรณีของฮีเลียม จะมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนเป็น 7.1 MeV ซึ่งถือว่าสูงมาก ในบรรดาธาตุที่เรารู้จักทั้งหมด เหล็กเป็นธาตุที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงที่สุด คือ 8.79 MeV นับว่าเหล็กเป็นธาตุที่เสถียรที่สุด ดังแสดงในกราฟ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์และพลังงานนิวเคลียร์ (1)

แบบฝึกหัด

ปฏิกิริยานิวเคลียร์และพลังงานนิวเคลียร์ (1) (ชุดที่ 1) Pre test

ปฏิกิริยานิวเคลียร์และพลังงานนิวเคลียร์ (1) (ชุดที่ 2) Post test

ปฏิกิริยานิวเคลียร์และพลังงานนิวเคลียร์ (1) (ชุดที่ 3)

เนื้อหา

แรงนิวเคลียร์

บทเรียน

ติดต่อเรา

ติดตามเรา

เราในสื่ออื่นๆ