บทที่ 4

บทที่ 4 พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์

   ดวงอาทิตย์เปรียบเสมือนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ในธรรมชาติ ที่ให้พลังงานแก่โลกของเรา นอกจากนี้มนุษย์ยังสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เพื่อใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้า และใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสี ในทางการแพทย์และอุตสาหกรรม เป็นต้น

4.1 การค้นพบกัมมันตภาพรังสี

   เบคเคอเรล (Henri Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เป็นผู้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีในสารประกอบยูเรเนียม เรียกว่า รังสียูเรนิก ในขณะที่ทำการวิเคราะห์เกี่ยวกับรังสีเอกซ์ กัมมันตภาพรังสีมีสมบัติแตกต่างจากรังสีเอกซ์ คือ มีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์ การแผ่รังสีเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา

   ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Elements) หมายถึง ธาตุที่มีในธรรมชาติที่แผ่รังสีออกมาได้เอง

   กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นปรากฎการณ์อย่างหนึ่งของสารที่มีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี ที่แผ่ออกมามีอยู่ 3 ชนิดด้วยกัน คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา
   โดยเมื่อนำสารกัมมันตรังสีใส่ลงในตะกั่วที่เจาะรูเอาไว้ให้รังสีออกทางช่องทางเดียวไป ผ่านสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีหนึ่งจะเบนเข้าหาขั้วบวกคือรังสีเบตา อีกรังสีหนึ่งเบนเข้าหาขั้วลบคือรังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา ส่วนอีกรังสีหนึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่ถูกดูดหรือผลักด้วยอำนาจแม่เหล็กหรืออำนาจนำไฟฟ้า ให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีแกมมา ดังรูป

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

  1. เกิดจากนิวเคลียสในภาวะพื้นฐาน รับพลังจำนวนมากทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ก่อนกลับสู่ภาวะพื้นฐานนิวเคลียร์จะคลายพลังงานออกมาในรูป "โฟตอนที่มีพลังงานสูง" ย่านความถี่รังสีแกมมา
  2. เกิดจากการที่นิวเคลียร์บางอัน อยู่ในสภาพไม่เสถียร คือมีอนุภาคบางอนุภาคมากหรือน้อยเกินไป ลักษณะนี้นิวเคลียร์จะปรับตัว คายอนุภาคเบตาหรือแอลฟาออกมา

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (nuclear symbol) เป็นสัญลักษณ์ที่แสดงจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอมด้วยเลขมวลและเลขอะตอม เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ดังนี้

โดยที่ X คือ สัญลักษณ์ธาตุ

     Z คือ เลขอะตอม (atomic number) เป็นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส
    A  คือ เลขมวล (mass number) เป็นผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอน

4.2  ไอโซโทป

     ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีโปรตอนเท่ากัน (หรืออิเล็กตรอนเท่ากัน ) แต่มีเลขมวลและจำนวนนิวตรอนต่างกัน (หรือมีมวลต่างกัน)

     อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจจะไม่เท่ากันก็ได้ ซึ่งมีผลทำให้มวลต่างกัน

     อะตอมของธาตุดังกล่าวเรียกว่าเป็นไอโซโทป เช่น 12C, 13C และ 14C เป็นไอโซโทปกัน (เลขอะตอม C=6 )

ไอโซโทปของธาตุบางชนิดอาจจะมีชื่อเรียกโดยเฉพาะ

เช่น ธาตุไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป และมีชื่อเฉพาะดังนี้

11H เรียกว่า โปรเตรียม ใช้สัญลักษณ์ H 

21H เรียกว่า ดิวทีเรียม ใช้สัญลักษณ์ D 

31H เรียกว่า ตริเตรียม ใช้สัญลักษณ์ T 

4.3 กัมมันตภาพรังสี

    เมื่อจำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้น จะทำให้นิวเคลียสไม่เสถียร และเกิดการเสื่อมสลายโดยตัวเอง หรือเกิดกัมมันตภาพรังสี และเรียกไอโซโทปของธาตุที่เกิดกัมมันตภาพรังสีนั้นว่า 

   ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive isotope)

ในช่วงปี พ.ศ. 2442-2443 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) และปอล วียาร์ (Paul Villard) ได้จำแนกอนุภาคและรังสีที่ได้จากการเกิดกัมมันตภาพรังสีเป็น 3 ชนิด ตามลักษณะการเบี่ยงเบน เมื่อปล่อยอนุภาคและรังสีให้เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก พบว่าลำของอนุภาคและรังสี เกิดการเบี่ยงเบนออกไปทั้ง 2 ข้าง และบางส่วนำม่เกิดการเบี่ยงเบน จึงสามารถจำแนกอนุภาคและรังสีได้เป็น 3 ชนิด ได้แก่ 

อนุภาคแอลฟา (alpha particle) อนุภาคบีตา (beta particle) และรังสีแกมมา (gamma ray) โดยลำของอนุภาคแอลฟา และอนุภาคบีตาจะเบี่ยงเบนออกไปจากแนวเดิม แต่มีทิศทางตรงข้ามกัน แสดงให้เห็นว่าอนุภาคทั้ง 2 มีประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน ส่วนรังสีแกมมาไม่มีการเบี่ยงเบน แสดงว่ารังสีแกมมาเป็นกลางทางไฟฟ้า

การสลายให้อนุภาคแอลฟา 

  (อังกฤษ: Alpha decay) เป็นรูปแบบหนึ่งของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีซึ่งนิวเคลียสอะตอมจะปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ดังนั้นจึงเปลี่ยนสภาพ (หรือ 'สลาย') อะตอมโดยสูญเสียเลขมวล 4 และเลขอะตอม 2 เช่น

  

    การสลายให้อนุภาคแอลฟาเหมือนกับการสลายให้กลุ่มอนุภาคอื่นๆเป็นกระบวนการ quantum tunneling พื้นฐาน การสลายให้อนุภาคแอลฟาไม่เหมือนกับการสลายให้อนุภาคบีตา การสลายให้อนุภาคแอลฟาถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาต่อกันและกันระหว่างแรงนิวเคลียร์และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

การสลายให้อนุภาคแอลฟาเป็นรูปแบบของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีพบในนิวไคลด์ที่มีน้ำหนักมากเท่านั้น ตัวปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาที่เบาที่สุดคือไอโซโทปที่เบาที่สุด (เลขมวล 106–110) ของเทลลูเรียม (ธาตุที่ 52)

   เพราะมวลขนาดใหญ่ มีประจุไฟฟ้า +2 และอัตราความเร็วต่ำ เมื่อเทียบกับอนุภาคอื่นๆ อนุภาคแอลฟามักจะมีปฏิกิริยากับอะตอมอื่นๆและสูญเสียพลังงานของมันไป ดังนั้นการเคลื่อนตัวไปข้างหน้าของมันจะถูกหยุดในสองถึงสามเซนติเมตรของบรรยากาศของโลก

  ฮีเลียมส่วนมากบนโลก (ประมาณ 99%) เป็นผลมาจากการสลายให้อนุภาคแอลฟาของแร่ที่ทับถมกันอยู่ใต้ดิน แร่ที่ประกอบไปด้วยยูเรเนียมหรือทอเรียม ฮีเลียมถูกนำขึ้นสู่ผิวโลกโดยเป็นผลิตภัณฑ์ที่เหลือของการผลิตก๊าซธรรมชาติ

การสลายให้อนุภาคบีตา

  ในฟิสิกส์นิวเคลียร์, การสลายให้อนุภาคบีตา (อังกฤษ: beta decay) เป็นรูปแบบหนึ่งของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่อนุภาคบีตา(อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน)ถูกปลดปล่อยออกมา ในกรณีปลดปล่อยอิเล็กตรอน จะเป็น บีตาลบ () ขณะที่ในกรณีปลดปล่อยโพซิตรอนจะเป็นบีตาบวก () พลังงานจลน์ของอนุภาคบีตามีพิสัยสเปกตรัมต่อเนื่องจาก 0 ถึงค่าสูงสุดที่จะเป็นไป (Q) ซึ่งขึ้นกับสภาวะนิวเคลียร์ของต้นกำเนิดและลูกที่เกี่ยวข้องกับการสลาย โดยทั่วไป Q มีค่าประมาณ 1 MeV แต่สามารถมีพิสัยจากสองสาม keV ไปจนถึง สิบ MeV อนุภาคบีตากระตุ้นส่วนใหญ่มีความเร็วสูงมากเป็นซึ่งมีความเร็วใกล้เคียงอัตราเร็วของแสง

 การสลายให้อนุภาคแกมมา

    เกิดจากการที่นิวเคลียสมีพลังงานสูงและปรับให้กลับสู่สภาวะพลังงานต่ำด้วยการปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งจำนวนโปรตอนและนิวตอนจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงก่อนและหลังการสลายตัว การสลายตัวให้รังสีแกมมาอาจเกิดจาก Isomeric Transition (IT) ที่เมื่อนิวเคลียสอยู่ในสภาวะ excited state เป็นเวลาค่อนข้างนาน หรืออยู่ในสภาวะ metastable state จะปรับตัวให้เสถียรโดยให้รังสีแกมมาออกมาหรือ Internal Conversion electrons ซึ่งตรงข้ามกับการสลายตัวให้รังสีแกมมาที่ปกติจะได้จากสารกัมมันตรังสีที่มีสภาวะ excited state เป็นเวลาค่อนข้างสั้น
    metastable state หรือเขียนด้วยตัว "m" จะเป็นสภาวะที่การสลายตัวให้รังสีแกมมานานกว่า 1 ns เช่น 99mTc ดังแสดงในรูป

 ผังการสลายตัวของ99m Tc ให้รังสีแกมมา

4.4 ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบซึ่งเกิดจากการยิงด้วยนิวคลีออน หรือกลุ่มนิวคลีออน หรือรังสีแกมมา แล้วทำให้มีนิวคลีออนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสหรือออกไปจากนิวเคลียสหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงจัดตัวใหม่ภายในนิวเคลียส สามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาได้ดังนี้

นิวเคลียร์ฟิชชัน
 ปฏิกิริยาฟิชชัน (Nuclear Fission) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เป็นผลจากการแตกตัวของนิวเคลียสของธาตุหนัก โดยกระบวนการที่เกิดขึ้นจากการยิง นิวตรอนไปยังนิวเคลียสของอะตอมหนัก แล้วทำให้นิวเคลียสแตกออกเป็น 2 ส่วนเกือบเท่ากัน ในปฏิกิริยานี้มวลของนิวเคลียสบางส่วนจะหายไป กลายเป็นพลังงานออกมา และเกิดนิวตรอนใหม่อีก 2 หรือ 3 ตัว ซึ่งวิ่งเร็วมากพอที่จะไปยิงนิวเคลียสของอะตอมอื่นต่อไปทำให้เกิดปฏิริยาต่อเนื่องเรื่อยไป เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction)

ปฏิกิริยาฟิวชัน

 ปฏิกิริยาฟิวชัน (Nuclear fusion) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่วนหนึ่งหายไป) พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อเปรียบเทียบจากมวลส่วนที่เข้าทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) เชื่อกันว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิตรอน มีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลส่วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล