รังสีก่อไอออนและฟิวชันเทอร์โมนิวเคลียร์

รังสีมองไม่เห็นแต่ทิ้งร่องรอยในสสาร นิวเคลียสอาจแยกหรือรวมกัน ส่วนคู่อนุภาคกับปฏิอนุภาคอาจเปลี่ยนเป็นอนุภาคใหม่ ในแต่ละกรณีเราจะติดตามว่าพลังงานถ่ายไปที่ใดและสิ่งใดเปลี่ยนแปลง

เมื่อรังสีถ่ายพลังงานให้อะตอมมากพอ อิเล็กตรอนอาจเป็นอิสระและอะตอมกลายเป็นไอออน เรียกว่าการก่อไอออน ในโมเลกุล ปฏิสัมพันธ์เช่นนี้อาจเปลี่ยนพันธะ และในเนื้อเยื่อมีชีวิตอาจทำให้เซลล์เสียหาย ผลขึ้นกับปริมาณรังสี ชนิดรังสี และเงื่อนไข ไม่ใช่เพียงการมองไม่เห็นหรือชื่อแหล่งกำเนิด ปริมาณรังสีบอกการได้รับรังสีของสสาร การประเมินผลต้องพิจารณาด้วยว่าพลังงานถ่ายโอนอย่างไรและที่ใด

สมมติสภาวะการได้รับรังสีไม่เปลี่ยน เนื้อเยื่อได้รับปริมาณรังสีเพิ่มเท่ากันทุกวินาที การเพิ่มเวลาเป็นสองเท่าจึงเพิ่มปริมาณรังสีเป็นสองเท่า และลดเวลาครึ่งหนึ่งก็ลดปริมาณรังสีครึ่งหนึ่ง เงื่อนไขคืออัตราปริมาณรังสีหรืออัตราการสะสมปริมาณรังสีคงที่ ใช้เวลา t เป็นวินาทีหรือหน่วยอื่นที่สอดคล้องกัน หากแหล่งกำเนิดอ่อนลง ระยะเปลี่ยน หรือมีวัสดุกำบังเพิ่มขึ้น จะเปรียบเทียบจาก t อย่างเดียวไม่ได้

สำหรับการได้รับรังสีจากภายนอก การลดเวลา เพิ่มระยะห่าง หรือใส่วัสดุกำบังที่เหมาะสม เปลี่ยนพลังงานที่ได้รับจากแหล่งกำเนิด ประสิทธิผลขึ้นกับรูปทรง ชนิดและพลังงานรังสี ส่วนการปนเปื้อนเป็นอีกกรณี คือสารกัมมันตรังสีอยู่บนผิวหรือภายในวัตถุและยังปล่อยรังสีเอง ดังนั้นการได้รับรังสีกับการปนเปื้อนจึงไม่ใช่สิ่งเดียวกัน วัสดุกำบังชนิดเดียวไม่แก้ได้ทุกสถานการณ์

อนุภาคแอลฟาสูญเสียพลังงานเร็วและผ่านชั้นภายนอกได้ไม่ดี แต่สารปล่อยแอลฟาที่อยู่ภายในร่างกายอาจฉายรังสีสู่เนื้อเยื่อใกล้เคียง วัสดุที่เหมาะสมหยุดรังสีบีตาได้ ส่วนแกมมามักต้องใช้วัสดุกำบังหนาหรือมีมวลมากกว่า และถูกลดทอนทีละน้อย ‘ทะลุได้ลึกกว่า’ ไม่ได้หมายถึง ‘อันตรายกว่าในทุกเงื่อนไข’ ต้องรู้ตำแหน่งแหล่งกำเนิด พลังงานที่ถ่ายโอน และปริมาณรังสีที่เนื้อเยื่อได้รับ

การรวมนิวเคลียสแทนการแยกให้พลังงานได้หรือไม่ ในฟิวชัน นิวเคลียสเบาสร้างผลิตผลที่หนักขึ้น จะปล่อยพลังงานหากมวลรวมผลิตผลน้อยกว่ามวลอนุภาคเริ่มต้น โดย c² เชื่อมผลต่างมวลกับพลังงาน นี่คือเกณฑ์การปล่อยพลังงานเดียวกับฟิชชัน แต่จัดองค์ประกอบใหม่ต่างกัน คำว่า ‘รวมกัน’ ไม่ได้รับประกันว่าจะปล่อยพลังงานสำหรับนิวเคลียสทุกชุดที่เลือก

เหตุใดนิวเคลียสที่เหมาะสมจึงไม่รวมกันทันทีที่อุณหภูมิปกติ ประจุบวกผลักกันทางไฟฟ้าและขัดขวางการเข้าใกล้ อุณหภูมิสูงหมายถึงอนุภาคมีอัตราเร็วมากขึ้นและมีโอกาสเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้น การอธิบายอย่างแม่นยำต้องใช้ฟิสิกส์ควอนตัม ฟิวชันเทอร์โมนิวเคลียร์ในปริมาณมากยังต้องมีความหนาแน่นและเวลากักเก็บพลาสมามากพอ พลาสมาคือสสารที่มีประจุอิสระ การให้ความร้อนชั่วครู่เพียงอย่างเดียวไม่ได้รับประกันว่าจะเกิดปฏิกิริยามาก

ในดาวฤกษ์ ฟิวชันของนิวเคลียสเบาอาจสร้างระบบที่ยึดเหนี่ยวแน่นขึ้นและปล่อยพลังงาน ตัวอย่างสำคัญในการวิจัยบนโลกคือ ดิวเทอเรียมกับทริเทียมซึ่งเป็นไอโซโทปไฮโดรเจน ให้ผลเป็นนิวเคลียสฮีเลียมและนิวตรอน ประจุอนุรักษ์ โดยประจุโปรตอนสองตัวเริ่มต้นไปอยู่ในฮีเลียม ส่วนนิวตรอนเป็นกลาง การตรวจนี้ไม่ได้คำนวณโอกาสเกิดปฏิกิริยา แต่ช่วยแยกการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้จากภาพที่ละเมิดการอนุรักษ์ประจุ

โปรตอนเล็กมาก แต่จำเป็นต้องเป็นอนุภาคมูลฐานหรือไม่ ไม่จำเป็น เพราะขนาดไม่ได้กำหนดคำนี้ อนุภาคมูลฐานคืออนุภาคที่ยังไม่พบโครงสร้างภายใน อิเล็กตรอนเป็นตัวอย่าง ส่วนโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์ก ข้อสรุปนี้อาศัยการศึกษาปฏิสัมพันธ์ ไม่ใช่ความสามารถในการมองเห็นผ่านกล้องจุลทรรศน์ทั่วไป ‘มูลฐาน’ ระบุขอบเขตของโครงสร้างที่ค้นพบตามคำอธิบายฟิสิกส์ที่ยอมรับ

ปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอนคือโพซิตรอน มีมวลเท่ากันแต่ประจุไฟฟ้าตรงข้าม คู่อนุภาคกับปฏิอนุภาคอื่นก็มีมวลเท่ากันและสมบัติประจุที่สอดคล้องกันมีค่าตรงข้าม แต่ปฏิอนุภาคไม่จำเป็นต้องมีประจุไฟฟ้า เพราะมีปฏิอนุภาคเป็นกลางด้วย ดังนั้นกฎว่า ‘ปฏิคือแค่กลับเครื่องหมายประจุไฟฟ้า’ จึงอธิบายสมบัติทั้งหมดไม่ได้ คู่อิเล็กตรอนเป็นเพียงตัวอย่างที่เห็นได้ชัด

เมื่ออนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กับปฏิอนุภาค อาจเกิดการประลัย คือคู่เริ่มต้นเปลี่ยนเป็นอนุภาคอื่น เช่น โฟตอน ไม่ใช่มวลและพลังงานหายไปอย่างไร้ร่องรอย พลังงานนิ่งและพลังงานจลน์ของระบบเริ่มต้นรวมอยู่ในพลังงานผลิตผล และโมเมนตัมรวมอนุรักษ์ หากคู่เริ่มต้นโดยรวมอยู่นิ่ง โมเมนตัมผลิตผลต้องรวมเป็นศูนย์ โฟตอนนำพลังงานและโมเมนตัมไปได้แม้ไม่มีประจุไฟฟ้า

กลับมาพิจารณาครึ่งชีวิตโดยปิดตัวอย่างไว้ในภาชนะ หลังแต่ละครึ่งชีวิต ปริมาณไอโซโทปตั้งต้นที่มีอยู่ขณะนั้นเหลือเฉลี่ยครึ่งหนึ่ง แต่นิวเคลียสที่สลายเปลี่ยนเป็นอนุภาคและนิวเคลียสอื่น ผลิตผลจำนวนมากอาจยังอยู่ภายใน ดังนั้นการลดมวลของไอโซโทปตั้งต้นไม่ได้หมายถึงมวลสิ่งทั้งหมดในภาชนะลดเท่ากัน ต้องระบุว่ากำลังนับนิวเคลียสตั้งต้น ผลิตผล หรือระบบทั้งหมดรวมพลังงานที่ถ่ายโอน

ตัวอย่างปิดเริ่มต้นมีไอโซโทปกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง 80 กรัม มีครึ่งชีวิต 4 วัน คาดว่าจะเหลือไอโซโทปตั้งต้นเท่าใดหลัง 12 วัน

เวลา 12 วันและครึ่งชีวิต 4 วันใช้หน่วยเดียวกัน จำนวนครึ่งชีวิตที่ผ่านไปคือ t/T = 12/4 = 3

นับเฉพาะมวลไอโซโทปตั้งต้นที่ยังไม่สลาย ค่าเฉลี่ยลดครึ่งหนึ่งทุกครึ่งชีวิต: 80 → 40 → 20 → 10 г

ตรวจ: 80·2⁻³ = 10 г คือหนึ่งในแปดของไอโซโทปเริ่มต้น นิวเคลียสตั้งต้นส่วนอื่นเปลี่ยนเป็นผลิตผลการสลาย ซึ่งอาจยังอยู่ในตัวอย่างปิด

ไอโซโทปตั้งต้นเหลือเฉลี่ย 10 กรัม นี่ไม่ใช่มวลรวมสิ่งที่อยู่ในภาชนะ เพราะอาจมีผลิตผลการสลายอยู่ด้วย

การก่อไอออนอธิบายการถ่ายพลังงานสู่สสาร แต่ผลขึ้นกับปริมาณรังสี ชนิดรังสี และสภาวะการได้รับรังสี

ฟิชชันและฟิวชันจัดนิวเคลียสใหม่ต่างกัน การปล่อยพลังงานในทั้งสองกรณีสัมพันธ์กับมวลรวมผลิตผลที่น้อยลง

การประลัยเปลี่ยนอนุภาคโดยอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม การสลายก็ไม่ได้หมายถึงสสารหายไปไร้ร่องรอยเช่นกัน

ชั้นต่อไปจะกลับมาศึกษาแนวคิดเหล่านี้ด้วยแบบจำลองการเคลื่อนที่ สสาร และสนามที่แม่นยำขึ้น