การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่าง ๆ พบว่า มีธาตุใหม่เกิดขึ้นหลังจากที่ได้แผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาเสมอ เช่น เมื่อทอเรียมปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็นเรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอมน้อยกว่าทอเรียมประมาณเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาที่ปลดปล่อยออกมา นอกจากนี้ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสของเรเดียมที่เกิดใหม่ก็มีค่าน้อยกว่าของทอเรียมเดิมอยู่ +2e ด้วย เนื่องจากมวลของธาตุ 1 อะตอมมีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียสดังที่ทราบมาแล้ว ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส ทั้งนี้เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับมวลของโปรตอน แสดงว่าอนุภาคแอลฟาได้มาจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ( nuclear transformation ) ของทอเรียมไปเป็นเรเดียม

ในกรณีที่มีการแผ่รังสีบีตา เช่น เมื่อตะกั่วปล่อยอนุภาคบีตาออกมา ตะกั่วจะกลายเป็นบิสมัท ซึ่งมีประจุเพิ่มขึ้น +1e แต่ทั้งตะกั่วและบิสมัทจะมีมวลใกล้เคียงกัน พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาที่ออกมานี้มีค่าสูงมากเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคบีตานี้ไม่ใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส นั่นคือ อนุภาคบีตานี้ต้องเกิดจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ส่วนการแผ่รังสีแกมมานั้นยังพบว่า พลังงานของรังสีแกมมาที่ถูกปลดปล่อยออกมามีค่าสูงเกินกว่าที่จะเป็นพลังงานที่ได้จากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม จึงอาจกล่าวได้โดยสรุปว่า รังสีแอลฟา บีตาและแกมมาเกิดขึ้นจากกการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ด้วยเหตุที่กัมมันตภาพรังสีมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส การศึกษาเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีจะทำให้ทราบองค์ประกอบของนิวเคลียสได้

องค์ประกอบของนิวเคลียส

จากการที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสีบางธาตุปล่อยอนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบีตาออกมา ทำให้คิดกันว่านิวเคลียสอาจประกอบด้วยอนุภาคดังกล่าวทั้งสองชนิดรวมกันอยู่ แต่แนวความคิดนี้ต้องล้มเลิกไป เนื่องจากมวลของนิวเคลียสทั้งหลายมิได้เป็นจำนวนเต็มเท่าของมวลของอนุภาคแอลฟา นอกจากนี้นิวเคลียสของบางธาตุยังมีมวลน้อยกว่ามวลของอนุภาคแอลฟา เช่น นิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน เป็นต้น เนื่องจากนิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบาที่สุด ดังนั้นจึงอาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ได้ แนวความคิดนี้ได้รับการสนับสนุนในเวลาต่อมาโดยรัทเทอร์ฟอร์ด เขาได้ทดลองยิงนิวเคลียสของไนโตรเจนด้วยอนุภาคแอลฟา และพบว่ามีนิวเคลียสของออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดขึ้น ดังรูป 4.4 และเขาได้เสนอให้ใช้ชื่อ โปรตอน (proton)สำหรับนิวเคลียสของไฮโดรเจน จากการที่ธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุสามารถปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนออกมาได้ ทำให้คิดว่า อิเล็กตรอนก็อาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ได้เช่นกัน ด้วยเหตุนี้จึงมีการตั้ง สมมติฐานโปรตอน - อิเล็กตรอน ( proton - electron hypothesis ) ตามสมมติฐานนี้นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน เช่น ลิเทียม ซึ่งมีมวลอะตอมประมาณ 7 เท่าของมวลโปรตอน และอิเล็กตรอน 3 ตัวในอะตอม ดังนั้นนิวเคลียสของลิเทียมควรจะประกอบโปรตอน 7 ตัว และอิเล็กตรอน 4 ตัว อยู่ภายในนิวเคลียสทำให้นิวเคลียสของธาตุนี้มีประจุ +3e สมติฐานโปรตอน - อิเล็กตรอนสามารถอธิบายการแผ่รังสีที่ให้นุภาคแอลฟาได้ กล่าวคือ อนุภาคแอลฟาเกิดจากการรวมตัวกันของโปรตอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว แล้วหลุดออกมา แต่จากหลักความไม่แน่นอนชี้ให้เห็นว่า อิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียสไม่ได้ เนื่องจากการอยู่ในนิวเคลียสทำให้ความไม่แน่นอนทางตำแหน่ง ( ) ของอิเล็กตรอนมีค่าประมาณ 10-15 เมตร การมีความไม่แน่นอนที่น้อยมากเช่นนี้ ทำให้ความไม่แน่นอนของโมเมนตัมสูงมาก มีผลทำให้อิเล็กตรอนมีความเร็วมากกว่าแสง อิเล็กตรอนจึงไม่สามารถอยู่ในนิวเคลียสได้ สมมติฐานโปรตอน - อิเล็กตรอนนี้ จึงต้องยกเลิกไป

การค้นพบนิวตรอน

ถึงแม้ว่าอิเล็กตรอนจะอยู่ในนิวเคลียสไม่ได้ แต่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีก็แผ่รังสีบีตาหรือปล่อยอิเล็กตรอนได้ ในปี ค.ศ. 1920 รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอความเห็นเกี่ยวกับอนุภาคในนิวเคลียสว่า อิเล็กตรอนและโปรตอนในนิวเคลียส อาจจะรวมตัวกันเป็นอนุภาคที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งเขาเรียกว่า นิวตรอน ( neutron ) นักฟิสิกส์ในสมัยนั้น ได้ทุ่มเทความพยายามค้นหานิวตรอนกัน แต่ก็มีอุปสรรคมากมาย ปัญหาใหญ่คือการไม่มีแหล่งกำเนิดนิวตรอนในธรรมชาติ และวิธีการสำหรับตรวจสอบอนุภาคที่มีอยู่ในขณะนั้นอาศัยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ใช้ได้กับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่านั้น เหตุใดจึงใช้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าในการตรวจสอบนิวตรอนไม่ได้ จากการที่รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของธาตุได้ ในห้องปฏิบัติการ โดยการยิงอนุภาคแอลฟาให้ไปชนนิวเคลียสของไนโตรเจนมีผลทำให้ได้อนุภาคโปรตอนออกมาดังที่ได้กล่าวมาแล้ว การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสเช่นนี้มิได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติดังเช่นที่เบ็กเคอเรลได้ค้นพบ นักฟิสิกส์จึงมีความสนใจในการเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้มาก และได้พยายามศึกษาการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสในรูปแบบนี้กันอย่างกว้างขวาง

ตัวอย่างหนึ่งของการศึกษานี้ได้แก่ ในปี ค.ศ.1930 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันสองคน คือ โบท์ ( W.Bothe ) และเบ็กเคอ ( H.Becker ) พบว่าเมื่อยิงอนุภาคแอลฟาให้ไปชนนิวเคลียสของธาตุเบริลเลียม จะมีการปล่อยรังสีชนิดหนึ่งที่มีสมบัติคล้ายรังสีแกมมา เพราะรังสีนี้มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า และสามารถทะลุผ่านวัตถุได้ดีมาก เช่น สามารถทะลุผ่านอิฐหรือแผ่นตะกั่วหนาๆ

ต่อมาในปี ค.ศ. 1932 ไอรีน คูรี ( Irene Curie ) และสามีคือเฟรเดริก โจเลียต (Frederic Joliot ) พบว่า เมื่อให้รังสีนี้พุ่งผ่านแผ่นพาราฟินซึ่งเป็นสารที่มีอะตอมของไฮโดรเจนมาก จะมีโปรตอนหลุดออกมาจากแผ่นพาราฟินด้วยพลังงาน 5.7 MeV ดังรูป 4.6 ข แต่จากการคำนวณโดยอาศัยกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎการอนุรักษ์พลังงานกลับพบว่า ถ้ารังสีนี้จะต้องมีค่าสูงถึง 55 MeV จึงจะทำให้ได้โปรตอนที่มีพลังงาน 5.7 MeV ดังรูป 4.6 ค แต่พลังงาน 55 MeV ที่สูงเช่นนี้จะทำให้อากาศแตกตัวด้วย แต่ไม่เห็นการแตกตัวใด ๆ ทำให้เห็นว่า รังสีที่เปล่งออกมาจากการยิงอนุภาคแอลฟาไปชนนิวเคลียสของเบริลเลียมนั้นไม่ใช่รังสีแกมมา นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ แชดวิก ( James Chadwick ) ได้วิเคราะห์ผลการทดลองดังกล่าว และคิดว่ารังสีที่อกมานั้นน่าจะเป็นอนุภาคชนิดใหม่ที่ยังไม่มีใครพบมาก่อน แชดวิกจึงได้ศึกษาการชนระหว่างอนุภาคชนิดใหม่ที่เขาคิดว่าเป็นนิวตรอนกับอะตอมของไฮโดรเจนในพาราฟินแล้ววัดความเร็วของโปรตอนที่หลุดออกมา และได้คำนวณให้อนุภาคที่คิดว่าเป็นนิวตรอนนี้วิ่งไปชนนิวเคลียสของไนโตรเจน แล้ววัดความเร็วของนิวเคลียสของไนโตรเจนที่ถูกชนแบบยืดหยุ่น แล้วใช้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎการอนุรักษ์พลังงาน คำนวณหามวลของอนุภาคที่ยังไม่มีใครพบเห็นมาก่อน และพบว่ามีค่าใกล้เคียงกับมวลของโปรตอนมาก เขาจึงสรุปว่าอนุภาคที่เกิดจากการชนกันระหว่างอนุภาคแอลฟากับนิวเคลียสของเบริลเลียม คือ นิวตรอน (neutron) ผลของการศึกษานี้สนับสนุนควาคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่า มีนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียส เมื่อแชดวิกค้นพบนิวตรอนแล้ว ได้มีการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสขึ้นใหม่ สมมติฐานนี้ได้ชื่อว่า สมมติฐานโปรตอน - นิวตรอน (proton-neutron hypothesis) ตามสมมติฐานนี้นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน เรียกอนุภาคซึ่งเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสรวมๆ ว่า นิวคลีออน (nucleon) ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดที่มีอยู่ในนิวเคลียส เรียกว่า เลขมวล (mass number) ส่วนจำนวนโปรตอนทั้งหมดในนิวเคลียส เรียกว่า เลขอะตอม (atomic mumber)

เลขมวลเป็นเลขจำนวนเต็มที่มีค่าใกล้เคียงกับมวลอะตอมของธาตุมากที่สุด เช่น ธาตุยูเรเนียมที่มีเลขมวล 238 จะมีมวลอะตอมเท่ากับ 238.0508u และนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมนี้มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็น 238 สำหรับเลขอะตอมนั้น นอกจากจะเป็นตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสแล้ว ยังบอกจำนวนประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสแล้ว ยังบอกจำนวนประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสอีกด้วย เช่น ยูเรเนียมมีเลขอะตอมเท่ากับ 92 แสดงว่า นิวเคลียสของยูเรเนียมมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ +92e เป็นต้น สัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุ X ที่มีเลขมวล A และเลขอะตอม Z จะเขียนได้เป็น àªè¹ เป็นสัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมที่มี โปรตอน 92 ตัวหรือมีประจุไฟฟ้า +92e และรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเป็น 238 นั่นคือมีนิวตรอน 146 ตัว ในบางครั้งเราอาจเขียนสัญลักษณ์อย่างย่อเป็น X-A หรือ ก็ได้ เช่น U-238 หรือ เป็นต้น เราสามารถใช้สัญลักษณ์นี้กับอนุภาคได้เช่นกัน เช่น อนุภาคแอลฟาที่เป็นนิวเคลียสของฮีเลียมมีเลขมวลเท่ากับ 4 และเลขอะตอมเท่ากับ 2 จึงเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น ส่วนอนุภาคบีตาเขียนสัญลักษณ์เป็น ซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้า -1e และไม่มีโปรตอนสัญลักษณ์ที่ใช้แทนอนุภาคบางตัว สรุปได้ดังตาราง 4.2