บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( nuclear chemistry ) ·...
TRANSCRIPT
![Page 1: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/1.jpg)
1
เคมนวเคลยร (Nuclear Chemistry)
โดย อ.ดร. สายรง เมองพล
- 3 ชวโมง - 6.5% - สอบกลางภาค 5 ม.ค. 58 (8.00–11.00 น.)
![Page 2: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/2.jpg)
ความแตกตางระหวางปฏกรยาเคมทวไปกบปฏกรยานวเคลยร Chemical Reaction Nuclear Reaction
1. ไอโซโทปของธาตมสมบตทางเคม
เหมอนกน
2. สลายพนธะเคมเดมและเกด
พนธะใหม
3. เกยวของเฉพาะอเลกตรอนวงนอกสด
4. มการดดหรอคายพลงงานปรมาณ
เลกนอย
5. อตราเรวของปฏกรยา ขนกบอณหภม
ความดน ความเขมขน ตวเรงปฏกรยา
1. ไอโซโทปมสมบตทางนวเคลยร
ตางกน
2. เปลยนไอโซโทปของธาตเดม หรอ
เปลยนเปนธาตอน
3. เกยวของกบ p , n , e-
4. เกยวของกบพลงงานปรมาณมาก
5. อตราเรวของปฏกรยาไมขนกบปจจย
ภายนอก
2
![Page 3: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/3.jpg)
3
https://shschemistry1.wikispaces.com/Chemical+Equations+and+Reactions
acetylene gas calcium carbide
http://cikguwong.blogspot.com/2011/08/physics-form-5-chapter-5-radioactive.html
![Page 4: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/4.jpg)
4
สมบตของนวเคลยส - อะตอม: ประกอบดวยนวเคลยส (n และ p)
และม electron (e) กระจายอยในทวางรอบ ๆ - นวเคลยส: มขนาดเลกมากและมปรมาตรนอยมาก แตมมวลมาก มวล p = 1.007276 amu n = 1.008665 amu e = 0.000549 amu
(amu = atomic mass unit, 1 amu = 1.66 10-24 กรม) - รปรางของนวเคลยสถอเปน ‘ทรงกลม’ - บางครงถกเรยกวา ‘nucleon’ XA
Z
อะตอม
A = mass number (เลขมวล) = p + n Z = atomic number (เลขอะตอม) = p = e
![Page 5: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/5.jpg)
5
ประเภทของอะตอม แบงเปน 3 ประเภท ตามจ านวนของ โปรตอน (p) นวตรอน (n) และ เลขมวล (A) 1. เมอ p เทากน เชน - สมบตทางเคมเหมอนกน - เลขอะตอมเทากน (p เทากน) - เลขมวล (A) ตางกน (n ตางกน) - เรยกวา ไอโซโทป (isotope)
11 12 13 14
6 6 6 6C C C C
2. เมอ n เทากน เชน - จ านวน n เทากน n = 6 - เลขมวล (A) และเลขอะตอม (p) ตางกน - เรยกวา ไอโซโทน (isotone)
9 10 11 12
3 4 5 6Li Be B C
3. เมอเลขมวล (A) เทากน เชน - เลขมวล (A) เทากน - เลขอะตอม (p) และ จ านวน n ตางกน - เรยกวา ไอโซบาร (isobar)
12 12 12
5 6 7B C N
![Page 6: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/6.jpg)
6
ขนาดของนวเคลยส - ปรมาตรของนวเคลยสเปนสดสวนโดยตรงกบเลขมวล
V A เมอ V = ปรมาตร A = เลขมวล - รปรางนวเคลยสเปนทรงกลม
V R3 เมอ R = รศมของนวเคลยส แสดงวา R3 A หรอ R A1/3
จากการทดลองของรทเทอรฟอรด: R = R0A
1/3 เมอ R0 = 1.2 – 1.5 f (f = Fermi, 1 f = 10-13 cm) แทนคา R0 (1.4 f) แลวค านวณหารศมของนวเคลยส ไดคาตงแต
1.45 10-13 ถง 9.2 10-13 cm
- รศมของอะตอม (Ra) ค านวณจาก
Ra = 9.6 10-8 (A/)1/3 cm = ความหนาแนนของธาตในสถานะของแขง
![Page 7: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/7.jpg)
เสถยรภาพของนวเคลยส (Nuclear Stability) นวเคลยสทเสถยร - ไมแผรงส นวเคลยสทเสถยร – แผรงส เรยก ไอโซโทปกมมนตรงส (radioactive isotope)
7
2. พจารณาจากจ านวน n และ p - ธาตทม n หรอ p = 2(He), 8(O), 20(Ca), 50(Sn), 82(Pb), 126 จะม ความเสถยรสงและมจ านวนไอโซโทปมาก (เลข 2, 8, 20, 50, 82, 126 เรยกวา เลขมหศจรรย (magic number))
- ธาตทมจ านวน p, n เปนเลขค (even) เสถยรกวาเลขค (odd)
นวเคลยสจะเสถยรหรอไม พจารณาจาก 1. อตราสวนของ n / p
- ธาตทม atomic no. ต า จะเสถยรถา n / p 1 - ธาต atomic no. สงขน จะเสถยรถา n / p > 1 เพราะตองม neutron มากขน เพอตานการผลกกนของ proton
![Page 8: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/8.jpg)
จ านวน p จ านวน n จ านวนไอโซโทปทเสถยร
เลขค เลขค 4
เลขค เลขค 61
เลขค เลขค 69
เลขค เลขค 201
8
จ านวนไอโซโทปทเสถยรทมอยในธรรมชาต
![Page 9: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/9.jpg)
9
แถบเสถยรภาพทางนวเคลยร (Belt of Stability)
นวเคลยสทเสถยร: - กลม Z ≤ 20, n/p = 1 - กลม Z สงๆ, n/p > 1, n > p นวเคลยสทไมเสถยร: - ธาตทม Z > 83 ทก isotopes เปน radioactive (ไมเสถยร) นวเคลยสทเสถยร: - n/p (หรอ N/Z) อยบน Belt of stability
http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/image/BELT1.gif
0
120
100
80 60 40 20
80
60
40
20
![Page 10: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/10.jpg)
10
ปฏกรยานวเคลยร (Nuclear reactions) 1. การสลายตวของธาตกมมนตรงส (Radioactive decay)
2. การแปรนวเคลยร (Nuclear transmutation) 2.1 ปฏกรยาการแยกนวเคลยส (Nuclear fission reaction)
2.2 ปฏกรยาการหลอมนวเคลยส (Nuclear fusion reaction)
![Page 11: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/11.jpg)
1. การสลายตวของธาตกมมนตรงส (Radioactive decay) เกดจากนวเคลยสทไมเสถยรเกดการสลายตว และปลดปลอยอนภาค (particles) หรอ รงสแมเหลกไฟฟา (radioactive radiation) ออกมา ซงปรากฏการณน เรยกวา กมมนตภาพรงส (radioactivity)
Positive charge plate
Negative charge plate
Beta particle = electron
(-1 electric charge)
Alpha particle = helium nucleus
(+2 electric charge)
Gamma ray = ultra high energy
nonvisible light
(no electric charge)
Radioactive
sample
11
![Page 12: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/12.jpg)
อนภาคพนฐานทคายออกมาจากไอโซโทปกมมนตรงส
1 amu = 1.66 10-24 กรม
12
อนภาค สญลกษณ ประจ มวล (amu) สมบต
+2 4 อนภาค
หรอ - -1 0 อนภาค
หรอ 0 0 คลนแมเหลกไฟฟา
นวตรอน (n) 0 1 อนภาค
โปรตอน (p) +1 1 อนภาค
โพสตรอน (+) +1 0 อนภาค
He4
2
e0
1-
n1
0
H1
1
e0
1
0
0 γ
![Page 13: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/13.jpg)
13
ปลอยอนภาค ออกมาจาก nucleus ประจ +2, มวล 4 อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล ลดลง 4 เลขอะตอม ลดลง 2 มกเกดกบ radioactive isotope ทมเลขมวล (A) สงๆ หรอเลขอะตอม (Z) > 83 เพอใหไดธาตทมเลขมวลและเลขอะตอมต าลง และเสถยรมากขน เชน
-decay
He4
2
240 236 4
94 92 2Pu U + He
241
95Am
238
92 U 234 4
90 2Th + He
237 4
93 2Np + He
![Page 14: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/14.jpg)
14
ปลอยอนภาค - ออกมาจาก nucleus ประจ -1, ไมมมวล อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล คงเดม เลขอะตอม เพมขน 1 radioactive isotope ทม เลขมวล (A) ต าๆ
สามารถเกดกระบวนการ -decay เพอใหไดอะตอมทมเสถยรภาพมากขน เชน
-decay
e0
1-
14 14 0
6 7 1C N + e
8
3Li 8 0
4 1Be + e
![Page 15: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Positron (+ ) emission: ปลอยอนภาค + ออกมาจาก nucleus ประจ +1, ไมมมวล อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล คงเดม เลขอะตอม ลดลง 1 เชน
0
+1e
10 10 0
6 5 1C B + e
18 0 18
9 1 8F + e O
+ emission (positron emission)
0
+1e
Electron capture (EC): นวเคลยสจบ (capture) อเลกตรอนทโคจรอยใกล นวเคลยสมากทสด ซงสวนใหญมาจากชน K (K-capture) อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล คงเดม เลขอะตอม ลดลง 1 เชน
electron capture
0
-1e
![Page 16: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/16.jpg)
-emission ไอโซโทปเสถยร (stable isotope) ทอยในสภาวะเรา (excited state) ปลดปลอย
พลงงานในรปของรงสแมเหลกไฟฟาพลงงานสง (-ray or -photon) ไมมประจ, ไมมมวล ไดอะตอมเดมอยในสภาวะพนทเสถยร 0
0 γ
excited state
nucle
ar
energ
y (
MeV
)
- emission
ground state
- - emission
0
1.2
0.66
137
55Cs
137
56 Ba
137
56 Ba
เชน การเกด --emission ของ Cs-137 ท าใหเกด Ba-137 ทสภาวะเรา เพอใหได Ba-137 ในสภาวะพนทเสถยร ตองมการปลดปลอย -photon ออกมา
16
![Page 17: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/17.jpg)
17
อะตอมทอยนอก belt of stability - ไมเสถยร - เกด radioactive decay เพอให ได isotope ใหมทมอตราสวน ของ n/p เขาส belt of stability
แถบเสถยรภาพ (Belt of stability)
http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/image/BELT1.gif
0
120
100
80 60 40 20
80
60
40
20
-emission
-emission
Positron (+) emission or electron capture
1
2
3
- high n/p
- -emission - reduces Z and A remains the same
- Z > 83
- -emission - reduces both A and Z
- low n/p
- Positron (+) emission or E.C. - reduces Z and A remains the same
1
3
2
![Page 18: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/18.jpg)
18 http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/image/BELT1.gif
0
120
100
80 60 40 20
80
60
40
20
-emission
-emission
Positron (+) emission or electron capture
1
2
3
ธาตเหลานเกดการสลายตวแบบใด? 12
5 B
*สามารถดตารางธาตประกอบได
234
92 U
127
57 La
20
15 P
12 0
6 1 C + e
n = 7
P = 5 n/p = 1.4 -emission
0 127
1 56 e Ba
n = 70
P = 57 n/p = 1.22
Positron (+) emission or electron capture
E.C. 127 0
56 1 Ba e
+ - emission
![Page 19: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/19.jpg)
อนกรมการสลายตว (Decay series)
เมอ radioactive isotope ปลดปลอยอนภาคหรอรงสแมเหลก ไฟฟาแลวไดผลตภณฑทไมเสถยร จะมการสลายตวอยางตอ เนองจนไดอะตอมทเสถยรในทสด ซงเรยกวา ‘อนกรมการสลายตว’ (Decay series)
อะตอมเรมตน = parent atom (unstable) ผลตภณฑ = daughter atom (unstable) อะตอมสดทาย = end product (stable)
19
![Page 20: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/20.jpg)
20
ม 4 อนกรมหลก: 1. อนกรมทอเรยม (Thorium series) (4n) parent atom: Th-232 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n 2. อนกรมเนปทเนยม (Neptunium series) parent atom: Np-237 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n+1 3. อนกรมยเรเนยม (Uranium series) parent atom: U-238 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n+2 4. อนกรมเอกทเนยม (Actinium series) parent atom: U-235 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n+3
![Page 21: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/21.jpg)
21
ธาตตอไปนอยในอนกรมการสลายตวแบบใด?
210
82 Pb 210 = 4(52) + 2 = 4n + 2 Uranium series
215
85At
209
83Bi
220
86 Rn
217
85At221
87 Fr 207
81Tl
215 = 4(53) + 3 = 4n + 3 Actinium series
220 = 4(55) = 4n Thorium series
209 = 4(52) + 1 = 4n + 1 Neptunium series
![Page 22: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/22.jpg)
การดลสมการนวเคลยร หลกการ: จ านวน p, n ซาย = ขวา (ผลรวมของ A และ Z ตองเทากนทงซายและขวาของสมการ) ตวอยาง
22
212 20884 82Po Pb + ..........
137 055 -1Cs ........... + e
20 2011 10Na Ne + ..........
42 He
13756 Ba
01 e
![Page 23: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/23.jpg)
23
อตราการสลายตวของสารกมมนตรงส - อตราการสลายตวของสารกมมนตรงส หาไดจากการนบจ านวนหรอปรมาณ ของอนภาคทไดออกมาตอเวลา - การสลายตวของสารกมมนตรงสเปนปฏกรยาอนดบหนง อตราการสลายตวทเวลา t อนทเกรต หรอ N0 = จ านวนหรอปรมาณเรมตนของสารกมมนตรงส Nt = จ านวนหรอปรมาณของสารกมมนตรงสทเวลา t
= คาคงทอตราของการสลายตว
dN
- Ndt
0 0
1- dN dt
N
tN t
N
0
t
Nln t
N
0
t
N tlog
N 2.303
![Page 24: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/24.jpg)
24
คาครงชวต (half life, t1/2): ระยะเวลาทใชในการสลายตวของสารกมมนตรงสจนมปรมาณเหลออยครงหนงของสารเดม
1/2
0.693t
ตวอยาง 1 นกเคมพบวา หลงจากหนงอาทตยพอดท Rn-222 ทมปรมาณเรมตน
10.0 g สลายตวใหอนภาคอลฟาแลวเหลอ Rn-222 อย 2.82 g จงค านวณหาคาคงทอตราของการสลายตว ( = 0.181 ตอวน)
วธท า หา จาก
0
t
N2.303log
N =
t
1
10.0 g2.303log
2.82 g = = 0.181 day7 day
![Page 25: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/25.jpg)
25
ตวอยาง 2 Ra-226 มคาครงชวต 1620 ป จงค านวณ
ก. คาคงทอตราของการสลายตวของ Ra-226 ( = 4.28 10-4 ตอป) ข. อตราสวนของตวอยางนทเหลออยเมอเวลาผานไป 100 ป (Nt/N0 = 0.958)
วธท า (ก) หา จาก
1/2
0.693t =
1/2
0.693 =
t 4 10.693
= = 4.28 10 year1620 year
(ข) หาอตราสวนของตวอยางทเหลออย (Nt/N0) เมอเวลา (t) ผานไป 100 ป
0
t
N tlog
N 2.303 4 1
0
t
N (4.28 × 10 year )(100 year)log = = 0.0186
N 2.303
0.01860
t
N = 10 = 1.044
Nt
0
N 1 = = 0.958
N 1.044
![Page 26: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/26.jpg)
26
กมมนตภาพรงส (Radioactivity หรอ activity) Radioactivity หรอ activity หมายถงจ านวนอะตอมของธาตกมมนตรง สทสลายตวภายในหนงหนวยเวลา
Activity สง สลายตวเรวt1/2 สน
หนวยของ activity 1. Becquerel (Bq) (Henri Becquerel ผคนพบ radioactivity) 1 Bq = การสลายตวทางกมมนตภาพรงส 1 ครง ตอวนาท (s-1)
2. Curie (Ci) (Pierre and Marie Curie ผคนพบ Radium) 1 Ci = ปรมาณกมมนตภาพรงสทไดจากการสลายตวของ Ra 1 กรม
1 Ci = 3.7 1010 Bq
Activity (A) = N
= คาคงทอตราของการสลายตว N = จ านวนอะตอมของธาตกมมนตรงส
![Page 27: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/27.jpg)
ตวอยาง 3 1 มลลกรมของ 14C บรสทธ มคาครงชวต 5730 ป จะม
activity เปนเทาใด (ก าหนด Avogadro’s number = 6.02 1023) (ตอบ 2.151 1010 Bq หรอ 5.81 10-3 Ci)
วธท า หา A = N
1/2
0.693 =
t 1 12 10.693
= s = 3.835 × 10 s5730 × 365 × 24 × 60 × 60
N ของ 14C 1 mg = 1 × 10-3 โมล = 1 × 10-3 × 6.02 × 1023 อะตอม 14 14
A = N = 3.835 × 10-12 × 10-3 × 6.02 × 1023 s-1 14 = 2.151 × 108 s-1 = 2.151 × 108 Bq
= (2.151 × 108 )/(3.7 × 1010) = 5.81 × 10-3 Ci 27
![Page 28: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/28.jpg)
28
ประโยชนของ 14C: เนองจาก 14C มครงชวต 5730 ป ดงนนการค านวณหาอตราสวนระหวาง 14C กบ 12C (stable isotope) จงเปนประโยชนมากในการหาอายของวตถโบราณทมอายในชวง 1000–10000 ป เรยกเทคนคนวา ‘Radiocarbon dating’
อตราสวนของ 14C/12C ในบรรยากาศมคาประมาณ 1.2 10-12
การบาน(ไมตองสง): วตถโบราณชนหนงมกมมนตภาพรงส (activity) ของ 14C เทากบ 11.6 s-1 ถาวตถชนนเรมตนม activity เทากบ 15.2 s-1 และครงชวตของ 14C เทากบ 5730 ป จงหาอายของวตถโบราณชนน (ตอบ 2236 ป)
![Page 29: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/29.jpg)
- การตรวจสอบนวเคลยสตางๆ มกพบวา มวลของนวเคลยส (มวลอะ ตอมในตารางธาต) มคานอยกวาผลรวมของมวลของอนภาคทเปน องคประกอบของนวเคลยส (p + n)
- ผลตางของมวล (m) เรยกวา มวลพรอง (mass defect) - มวลทหายไป (m) เปลยนเปนพลงงานทยดเหนยว p และ n ใหอย รวมกนไดในนวเคลยส - เรยกพลงงานนวา Nuclear Binding Energy (NBE) - NBE ค านวณไดจาก
29
มวลนวเคลยสและพลงงานยดเหนยว
Einstein’s equation: E = mc2
![Page 30: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/30.jpg)
30
ตวอยางท 1 จงค านวณ NBE ของ 199 F
atomic mass = 18. 9984 amu --- (1)
Mass ของ p + n ม 9p 1.0078 = 9. 0702 amu 10n 1.0087 = 10.0870 amu รวม = 19.1572 amu --- (2)
199 F
199 F
m = (1) - (2) = 19.1572 - 18. 9984 amu = 0.1588 amu
m = มวลทหายไปเปลยนเปนพลงงานยดเหนยว
![Page 31: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/31.jpg)
ตามสมการของ Einstein: E = mc2 = (0.1588 amu)(3 108 m/s)2 = 1.43 1016 amu. m2/s2
(เนองจาก 1 amu. m2/s2 = 1.66 10-27 J) E = (1.43 1016)(1.66 10-27) E = 2.37 10-11 J/atom
31
E = NBE = พลงงานทคายออกมาเมอน าโปรตอนและนวตรอนมา หลอมรวมกนเปนนวเคลยส พลงงานทถกคายออกมามคานอย เพราะคดตอ 1 นวเคลยส (อะตอม) แตหากคดตอ 1 โมลของธาต จะพบวาพลงงานทคายออกมามหาศาล
![Page 32: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/32.jpg)
ถาคดตอ 1 โมลของ
1 โมล ม 6.02 1023 อะตอม ตอ 1 โมล E = (2.37 10-11)(6.02 1023) E = 1.43 1013 J/mol E = 1.43 1010 kJ/mol
ขอสงเกต: mass defect สง m มาก = พลงงานสง
32
199 F
การบาน (ไมตองสง) จงค านวณ NBE ของ (ก าหนด atomic mass ของ = 126. 9004 amu)
(ตอบ 1.73 10-10 J/atom)
12753 I
12753 I
![Page 33: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/33.jpg)
33
2. การแปรนวเคลยร (Nuclear transmutation) เกดจากการยง (bombardment) นวเคลยสทเสถยรดวยอนภาคตางๆ เชน โปรตอน นวตรอน อนภาคอลฟา หรอรงสแกมมา ท าใหเกดการเปลยนแปลงภายในนวเคลยส ไดเปนอะตอมใหมและมอนภาคหรอรงสถกปลดปลอยออกมาดวย
http://library.thinkquest.org/27954/proton.html
![Page 34: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/34.jpg)
34
เขยนสมการทวไปของปฏกรยา
X + a Y + b เขยนเปน X(a, b)Y X คอ นวเคลยสทเปนเปา (target nucleus) Y คอ นวเคลยสของธาตใหมทได (product nucleus) a คอ อนภาคทใชยง (bombarding particle or radiation) b คอ อนภาคหรอรงสทปลดปลอยออกมา (induced particle or radiation)
14 4 17 17 2 8 1N + He O + H
14 177 8N ( , p) O
![Page 35: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/35.jpg)
35
H Be n B
He He H Li
n Al H Mg
Sin) ,( Mg n Si He Mg
11
104
10
105
42
42
11
73
10
2713
11
2412
2714
2412
10
2714
42
2412
ตวอยางปฏกรยาการแปรนวเคลยส
Aln) (p, Mg 2713
2412
![Page 36: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/36.jpg)
ไอโซโทปสงเคราะห (Artificial Isotope) กระบวนการแปรนวเคลยส (nuclear transmutation ) ใชสงเคราะหหรอสรางธาตกมมนตรงสได โดย
ผลตภณฑของ nuclear transmutation อาจไดเปน stable nuclide หรอเปน radioactive nuclide กได ถาเปน radioactive กจะสลายตว ตอไป นยมใช neutron อนภาคทใชยงเนองจาก neutron เปอนภาคทเปน กลาง ไมมประจ ไมถกตอตานโดยนวเคลยสเปาหมาย
ถาใชอนภาคอนทมประจ เชน (+2) หรอ p (+1) แทน neutron จะ มแรงผลกระหวางนวเคลยสกบอนภาค จงตองเรงความเรว เพอเพม พลงงานใหเอาชนะแรงตานจากนวเคลยสของอะตอมเปาหมาย ดวย เครองเรงอนภาค (Particle accelerator)
36
![Page 37: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/37.jpg)
37
เครองเรงอนภาค (Particle accelerator) ใชในการเรงอนภาคใหมพลงงานมากพอทจะเอาชนะแรงตานจากนวเคลยสเปาหมาย เครองเรงอนภาค ไดแก ซนโครตรอน (synchrotron) ใชสนามแมเหลกและการสลบขว +,- เพอชวยเพมพลงงานจลน ของอนภาค สามารถออกแบบใหความเรวสงสดของอนภาค กอนชน nucleus ≈ 90% ของความเรวแสง
http://universe-review.ca/R15-20-accelerators.htm
http://www.xente.mundo-r.com/rcid/pages/phy_9.html
http://www.esrf.eu/about/synchrotron-science/synchrotron
![Page 38: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/38.jpg)
การสงเคราะหธาตใหมจากปฏกรยาการแปรนวเคลยส
ธาตถดจากยเรเนยม (Transuranium Elements): ไดจากการแปรนวเคลยสโดยใชเครองเรงอนภาคสงเคราะหธาตจาก U-238 (Z = 92) ไดธาตทม 92 < Z < 109 ซงธาตทงหมดทไดเปน radioactive isotope
38
![Page 39: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/39.jpg)
39
ตวอยางไอโซโทปสงเคราะหทไดจาก bombardment ของ U-238
(สวนใหญถกสงเคราะหขนท University of California, Berkeley, USA)
![Page 40: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/40.jpg)
Atomic number (z) Name Symbol
92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109
Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium
U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt
40
![Page 41: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/41.jpg)
ปฏกรยาการแยกนวเคลยส (Nuclear fission reaction)
การแตกตวของนวเคลยสหนก (mass number (A) > 200) ทไมเสถยรได ผลตภณฑเปนนวเคลยสทเลกลง และ อนภาคนวตรอนอยางนอย 1 อนภาค ตองมการยงนวตรอนไปทนวเคลยสหนก
ใหพลงงานมหาศาล เชน 1 mole ของ U-235 ปลอยพลงงาน 2.0 1013 J (ถานหน 1 ตน ใหพลงงาน 8 107 J)
41 http://www.chm.bris.ac.uk/motm/uf6/uf6v.htm
![Page 42: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/42.jpg)
42
นวตรอนทปลอยจากปฏกรยา fission ขนแรกจะยงอะตอมอนๆ ท อยถดไปจนเกดปฏกรยาลกโซ ทไมสามารถควบคมได มกใชในระเบดอะตอม (atomic bomb) หรอระเบดนวเคลยร
* ระเบดนวเคลยร 1 ลก 1 กโลกรม อ านาจท าลายลางเทยบเทากบระเบด TNT 20,000 ตน
![Page 43: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/43.jpg)
เครองปฏกรณนวเคลยร (Nuclear Reactor): เปนการน า nuclear fission ไปใชประโยชนในทางสนต โดยการน าพลงงานความรอนไปผลตกระแสไฟฟา
43
Cd rod Absorb excess neutron
พลงงานความรอนปรมาณมหาศาลทไดจาก nuclear fission ถกถายโอนให เครองจกรไอน า ซงจะเปลยนพลงงานความรอนไปเปนพลงงานไฟฟาตอไป
http://ouledali.wordpress.com/2011/05/08/nuclear-energy-or-renewable-energy/
![Page 44: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/44.jpg)
ปฏกรยาการหลอมนวเคลยส (Nuclear fusion reaction)
เปนการหลอมรวมนวเคลยสเลกๆ ใหเปนนวเคลยสใหญขน ซงตรงขามกบ nuclear fission ตองเกดในสภาวะทอณหภมสงมากๆ เรยกวา thermonuclear reactions
เชน ในดวงอาทตย temp. 15 106 oC อะตอม H รวมเปน He ได ตลอดเวลา นวเคลยสของธาตเบา 2 นวเคลยสหลอมรวมกนเปนนวเคลยสเดยวทหนก กวาเดมและเสถยรกวาเดม จะมการคายพลงงานออกมาเปนจ านวนมาก กวาพลงงานทไดจาก nuclear fission ขอด – ใชเชอเพลงราคาถกกวา - เกดของเสยทเปนกมมนตรงส (radioactive waste) นอย ขอเสย - เกด thermal pollution เพราะปฏกรยาเกดทอณหภมสงมาก
44
![Page 45: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/45.jpg)
45
ตวอยาง nuclear fusion
H + H HeHe + He He + 2 HH + H H +
11
21
32
32
32
42
11
11
11 1
2 01
Li + H 2 HeH + H H + H
63
21
42
21
21
3 11 1
Hydrogen bomb ใช solid lithium deuteride (LiD) ขนท 1. nuclear fission ให heat 2. heat ท าใหเกด nuclear fusion
Li + H 2 HeH + H H + H
63
21
42
21
21
3 11 1
![Page 46: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/46.jpg)
46
หนวยการวดรงส
1. ปรมาณสารกมมนตรงส วดการสลายตวของนวเคลยสใหรงสออกมาเปนจ านวนครงตอวนาท ใชหนวย Becquerel, Bq (SI unit) หรอ Curie (Ci) 1 Ci = 3.7 x 1010 ครง/วนาท = 3.7 x 1010 Bq
2.ปรมาณรงสในอากาศทถกแผออกมาจากสารกมมนตรงส (exposure หรอ exposure dose) หนวย Roentgen, R หรอ Coulomb/kg (SI unit) 1 R = ปรมาณรงสเอกซ หรอแกมมา ทท าใหอากาศ 1 cm3 ท STP แตกตวเกดเปนไอออน 2.08 x 109 ค
![Page 47: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/47.jpg)
47
3. ปรมาณรงสทถกดดกลน (absorbed dose) เมอรงสตกกระทบวตถ รงสบางสวนจะทะลทะลวงผานไป สวนทเหลอจะถกวตถดดกลนไว absorbed dose จะมากนอยขนกบชนดของวตถและชนดของรงส หนวย rad หรอ Gray, Gy (SI unit) 1 rad = พลงงานปรมาณ 100 ergs ถกดดกลนโดยวตถ 1 g (1 erg = 1 g·cm2/s2 = 10−7 J) 1 Gy = 100 rad = 1 J/kg 1 rad ≈1 R
![Page 48: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/48.jpg)
48
4.ปรมาณรงสสมมลทบคคลไดรบ (dose equivalent) หนวย rem (Roentgen equivalent for man) หรอ Sievert, Sv พจารณาจากผลทางชววทยาทเกดขนกบเนอเยอ ซงจะขนกบชนด ของอวยวะในรางกายและชนดของรงส บคคลใดไดรบรงสแลวรงสนนกอใหเกดผลทางชววทยาเทยบเทากบ ผลทเกดจากรงสเอกซ หรอแกมมา 1 rad เรยกวาบคคลนนไดรบรงส 1 rem 1 rem = 1 rad x 1 RBE, RBE (relative biological effectiveness) 1 Sv = 100 rem
![Page 49: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/49.jpg)
49
การประยกตใชงานไอโซโทปกมมนตรงส 1. แหลงพลงงาน - nuclear power plant 2. อตสาหกรรม - ลดการสกหรอวงแหวนลกสบ 3. Tracer (ตวตดตาม) : ใช radioactive isotope ศกษาตดตามการ เปลยนแปลงของธาตปกตในกระบวนการทางชวภาพ การเกษตร : 32P ในปยฟอสเฟต 14CO2 การสงเคราะหแสง การแพทย : 131 I ตอม thyroid ผดปกต 4. ศกษาโครงสรางของสาร 5. รกษาโรค 60Co รกษามะเรง 131I รกษาตอม thyroid 6. ค านวณอายวตถโบราณ เชน C-14
![Page 50: บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry ) · เกี่ยวข้องกับ p , n , e-4. เกี่ยวข้องกับพลังงานปริมาณมาก](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041520/5e2de1f6bd92c94d67465cf3/html5/thumbnails/50.jpg)
50
การปองกนการไดรบรงส
1. เวลา: ใชเวลาปฏบตงานใหสนทสด 2. ระยะทาง: รกษาระยะทางใหหางจากตนก าเนดรงสใหมากทสด 3. เครองก าบง: จดใหมเครองก าบงรงสใหเหมาะสม
Source: http://www.oaep.go.th/images/news/20110603145031.pdf