การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

    ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่าง ๆ พบว่า มีธาตุใหม่เกิดขึ้นหลังจากที่ได้แผ่รังสีแอลฟา หรือรังสีบีตาเสมอ เช่น เมื่อทอเรียมปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็นเรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอม น้อยกว่าทอเรียมประมาณเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาที่ปลดปล่อยออกมา นอกจากนี้ประจุไฟฟ้า ของนิวเคลียสของเรเดียมที่เกิดใหม่ก็มีค่าน้อยกว่าของทอเรียมเดิมอยู่ +2e ด้วย เนื่องจากมวลของ ธาตุ 1 อะตอมมีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียสดังที่ทราบมาแล้ว ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของ นิวเคลียส ทั้งนี้เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับมวลของโปรตอน แสดงว่าอนุภาคแอลฟาได้มาจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส (nuclear transformation) ของ ทอเรียมไปเป็นเรเดียม

          ในกรณีที่มีการแผ่รังสีบีตา เช่น เมื่อตะกั่วปล่อยอนุภาคบีตาออกมา ตะกั่ว จะกลายเป็นบิสมัท ซึ่งมีประจุเพิ่มขึ้น +1e แต่ทั้งตะกั่วและบิสมัทจะมีมวลใกล้เคียงกัน พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหรือ อนุภาคบีตาที่ออกมานี้มีค่าสูงมากเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคบีตานี้ไม่ใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส นั่นคืออนุภาคบีตานี้ต้องเกิดจากการ เปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

         ด้วยเหตุที่กัมมันตภาพรังสีมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียสการศึกษาเกี่ยวกับ กัมมันตภาพรังสีจะทำให้ทราบองค์ประกอบของนิวเคลียสได้

องค์ประกอบของนิวเคลียส
          รัทเทอร์ฟอร์ดให้การสนับสนุนแนวคิดที่ว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบของ นิวเคลียส ของธาตุต่างๆ โดยทดลองยิงอนุภาคแอลฟาชนนิวเคลียสของไนโตรเจน และพบว่ามี นิวเคลียสของ ออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดขึ้น ดังรูป 2 เขาจึงเสนอให้เรียกนิวเคลียสของไฮโดรเจน ว่า โปรตอน และจากการที่ธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุมีการปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนออกมา ทำ ให้นักวิทยาศาสตร์ บางคนคิดว่า อิเล็กตรอนก็อาจเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ได้ เช่นกัน ด้วยเหตุนี้จึงได้มี การสร้างสมมติฐานโปรตอน – อิเล็กตรอน

รูป 2 การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของไนโตรเจนเนื่องจากการยิงด้วยอนุภาคแอลฟา

         สมมติฐาน โปรตอน – อิเล็กตรอน กล่าวว่า นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่ง สามารถอธิบายการแผ่รังสีแอลฟาได้ กล่าวคือ อนุภาคแอลฟาเกิดจากการรวมตัวกันระหว่างโปรตอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว แล้วหลุดออกมาจากนิวเคลียส ส่วนการแผ่รังสีบีตานั้นเกิดจากการปล่อย อิเล็กตรอน ในนิวเคลียสออกมา แต่จากหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์กข้อมูลนี้ชี้ให้เห็นว่า อิเล็กตรอนจะอยู่ใน นิวเคลียสไม่ได้ เนื่องจากมีพลังงานสูงมาก สมมติฐานจึงต้องยกเลิกไป

        การพบนิวตรอน        
        การทดลองยิงอนุภาคแอลฟาพุ่งชนนิวเคลียสของธาตุเบริลเลียมได้รังสีออกมาชนิดหนึ่งมี สภาพเป็น กลางทางไฟฟ้า แชดวิก (Sir James Chadwick 1819 - 1974) นักฟิสิกส์ ชาวอังกฤษ นำผลการทดลอง นี้มาวิเคราะห์ แล้วเสนอว่ารังสีที่ได้คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งเป็นการสนับสนุน แนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่า นิวเคลียส มีอนุภาคนิวตรอน

รูป 3 แสดงแผนภาพการทดลองของแชดวิก

        เมื่อแชดวิกพบอนุภาคนิวตรอนแล้ว ได้มีการตั้งสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนิวเคลียสใหม่ เรียก สมมติฐานโปรตอน – นิวตรอน ด้วยแนวคิดที่ว่า นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอนุภาค นิวตรอนรวมกันเรียกว่า นิวคลีออน ส่วนจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนรวมกัน เรียกว่า เลขมวล จำนวนโปรตอนอย่างเดียวในนิวเคลียส เรียกว่าเลขอะตอม

        ในวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ สัญลักษณ์นิวเคลียสของธาตุ  ที่มีเลขมวล  และเลขอะตอม จะเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ เช่น  เป็นสัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมที่มี เลขอะตอม 92 (โปรตอน 92 ตัว) หรือมีประจุไฟฟ้า +92e และเลขมวล 238 (จำนวนโปรตอน + นิวตรอน = 238 ตัว) สัญลักษณ์ดังกล่าวอาจเขียนอย่างย่อเป็น  หรือ  ก็ได้ เช่น U-238 หรือ 

        เราสามารถใช้สัญลักษณ์นี้กับอนุภาคได้เช่นกัน เช่น อนุภาคแอลฟาที่เป็นนิวเคลียสของฮีเลียม มีเลขมวลเท่ากับ 4 และเลขอะตอมเท่ากับ 2 จึงเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น ส่วนอนุภาคบีตาเขียน สัญลักษณ์เป็น  ซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้า -1e และมีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับมวล ของธาตุใด ๆ จึงถือว่าเลขมวลเป็นศูนย์ อนุภาคอื่น ๆ เช่น นิวตรอน โปรตอน มีสัญลักษณ์  และ ตามลำดับ สำหรับรังสีแกมมานั้นไม่มีทั้งประจุไฟฟ้าและมวล จึงเขียนสัญลักษณ์  ตามเดิม

 การแผ่รังสีของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี

การสลายตัวให้รังสีแอลฟา (-decay)
รังสีแอลฟา หรือ อนุภาคแอลฟาเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมประกอบด้วย 2 โปรตอนกับ 2 นิวตรอน

นิวเคลียสใดสลายให้อนุภาคแอลฟา หลังการสลายได้นิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมลดลง 2 หน่วย และเลขมวลลดลง 4 หน่วย ดังนี้

ตัวอย่างเช่น                                       

การสลายตัวให้รังสีเบตา (β - decay)

นิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากเกินไป เมื่อเทียบกับจำนวนโปรตอนทำให้นิวเคลียสไม่เสถียร จึงเกิดการสลายให้รังสีเบตา โดยนิวเคลียสใหม่จะมีเลขมวลเท่าเดิม แต่เลขอะตอมจะมากกว่า ของนิวเคลียสตั้งต้นอยู่ 1 หน่วย ดังนี้

ตัวอย่างเช่น                                        

การสลายตัวให้รังสีแกมมา
        กระบวนการนี้ไม่ทำให้เกิดนิวเคลียสใหม่ เป็นเพียงการเปลี่ยนระดับพลังงานของนิวเคลียส จากสูงมาสู่ระดับที่ต่ำกว่า ปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระดับรังสีแกมมา
        การสลายตัวของนิวเคลียสให้อนุภาคแอลฟาและอนุภาคเบตา โดยทั่วไปจะให้รังสี แกมมาด้วย เพราะการสลายให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคเบตานั้น นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานมาสู่ สถานะที่ต่ำกว่า เช่น