ฟิสิกส์

มวล (Mass)
ปริมาณเกลาร์ที่เป็นคุณสมบัติทางกายภาพของสสาร มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (Kg)

ในกลศาสตร์แบบฉบับ (Classical mechanics) นิยามของมวลอาจแบ่งได้เป็น มวลเฉื่อย และ มวลโน้มถ่วง

มวลเฉื่อย หรือ Initial mass คือปริมาณที่อธิบายการต้านการเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ของสสาร เมื่อมีแรงมากระทำ วัตถุที่มีมวลเฉื่อยน้อยก็จะสามารถเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าวัตถุที่มีมวลเฉื่อยมาก

มวลโน้มถ่วง หรือ Gravitational mass อาจแบ่งย่อยได้เป็นสองชนิดคือ Active และ Passive gravitational mass

Passive gravitational mass เป็นปริมาณที่บ่งบอกความแรงของอันตรกริยาระหว่างวัตถุกับสนามโน้มถ่วง สำหรับสนามโน้มถ่วงที่มีความเข้มเท่ากันวัตถุที่มีมวลมากก็จะรู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงมากกว่าวัตถุที่มีมวลน้อย แรงโน้มถ่วงที่มาทำกับวัตถุนี้เราเรียกกันว่า น้ำหนัก นั่นเอง

ส่วนมวลโน้มถ่วงแบบ Active gravitational mass จะบอกถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเนื่องจากวัตถุนั้น วัตถุที่มีมวลมากกว่าก็ย่อมที่จะมีสนามโน้มถ่วงที่แรงกว่าวัตถุมวลน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ย่อมมีสนามโน้มถ่วงที่แรงกว่าโลก เป็นต้น

ถึงแม้ว่ามวลความเฉื่อยและมวลโน้มถ่วงจะมีนิยามที่ต่างกัน แต่ในทางการทดลองไม่สามารถที่แบ่งแยกความแตกต่างระหว่างมวลทั้งสองได้ ในทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ความสอดคล้องกันของมวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วง เป็นหลักการสำคัญอย่างหนึ่งของธรรมชาติที่รู้จักกันในชื่อของ Equivalence principle

ในวิชาเคมี มวลของสสาร จะเป็นปริมาณที่อนุรักษ์ นั่นคือ ไม่สามารถสูญหาย และ สร้างขึ้นใหม่ได้ และในฟิสิกส์บทนี้ก็เช่นกัน เราจะถือว่ามวลเป็นปริมาณอนุรักษ์ ถึงแม้ว่าในบทถัดๆไปนิสิตจะได้ทราบว่า เมื่อคำนึงถึงผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพ มวลและพลังงาน สมมูลกัน นั่นคือ มวลของวัตถุ ( ) และ พลังงานของมัน ( ) สัมพันธ์กันตามสมการ เมื่อ คืออัตราเร็วของแสงในสูญญากาศ

2.แรง (Force)

แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง เช่นเปลี่ยนแปลงลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาค มีหน่วยเป็นนิวตัน ( )

ในชั้นมัธยมปลายนิสิตอาจจะได้ศึกษาแรงต่างๆมากหมายหลายชนิด แต่อันที่จริงแล้ว แรงพื้นฐานที่ควบคุมอันตรกริยาต่างๆในธรรมชาติทั้งหมด อยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงพื้นฐานเพียง 4 ชนิด ได้แก่

- แรงโน้มถ่วง (Gravitational force)
- แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force)
- แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน (Weak nuclear force)
- แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม (Strong nuclear force)

แรงที่เราคุ้นเคยในชั้นมัธยมปลายไม่ว่าจะเป็น แรงเสียดทาน หรือแรงของสปริง จะจัดอยู่ในประเภทของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เพราะเกิดจากอันตรกริยาของอิเล็กตรอนในอะตอมของวัตถุ ปฎิกริยาทางเคมีและชีววิทยาล้วนเกิดจากแรงทางไฟฟ้าทั้งสิ้น

ตามประวัติศาสตร์ เซอร์ ไฮแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เป็นบุคคนแรกที่นิยามความหมายของแรง ดังที่เราจะได้กล่าวถึงในรายละเอียดต่อไป เมื่อเราศึกษากฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน หลักการของแรงได้ประยุกต์ใช้ในกลศาสตร์ และในวิทยาศาสตร์อีกหลายสาขา อย่างไรก็ตามด้วยความรู้ความเข้าใจใหม่ๆ ทฤษฎีควอนตัม และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ หลักการของแรงในกลศาสตร์ถูกแทนที่ด้วย เรขาคณิตของกาลอวกาศ เมื่อเราพิจารณาของเขตของธรรมชาติ ในขณะที่ทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theory) อธิบายกลไกการเกิดแรงระหว่างอนุภาคสองตัวว่า เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงระหว่างกัน ยกตัวอย่างเช่น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดึงดูดอิเล็กตรอนให้วนรอบนิวเคลียสของอะตอม เกิดจากการที่นิวเคลียสและอิเล็กตรอนและเปลี่ยนอนุภาคโฟตอน (อนุภาคของแสง) ระหว่างกัน ปัจจุบันแรงพื้นฐานทั้งสี่ของธรรมชาติมักถูกอ้างถึงโดยใช้คำว่า อันตริกริยา (interaction) แทนคำว่าแรง

อย่างไรก็ตาม ในเทอมนี้เราจะพิจารณาแรงในแบบของกลศาสตร์แบบฉบับ ซึ่งนิยามแรงตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

 กฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน

 จากการศึกษากฎของเคปเลอร์ นิวตันเสนอทฤษฎีแรงดึงดูดระหว่างมวล หรือที่เรียกว่า กฎความโน้มถ่วงสากล (Newton’s law of universal gravitation)

Sir Henry Cavendish
นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษ (ค.ศ. 1731-1810)
มีผลงานการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจ
เช่น เป็นคนแรกๆที่ค้นพบธาตุไฮโดรเจน เป็นคนแรกๆที่ค้นพบองค์ประกอบของน้ำ เป็นคนแรกๆที่นิยามปริมาณศักย์ไฟฟ้า ฯลฯ … ที่สำคัญคือ Cavandish’s experiment

กัมมันตภาพรังสี

ในปี ค.ศ. 1896 เบ็กเคอเรล ( Henri Becquerel ) ได้ทำการทดลองการเรืองแสงของสารต่าง ๆ และได้พบว่าสารประกอบของยูเรเนียมสามารแผ่รังสีออกมาได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมเลย และจากการศึกษาเบื้องต้นของเบ็กเคอเรล เขาได้พบว่า รังสีนี้มีสมบัติบางประการคล้ายรังสีเอกซ์ เช่น สามารถทะลุผ่านวัตถุบางชนิดและทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้
          ต่อมา ปีแอร์ คูรี ( Pierre Curie ) และมารี คูรี ( Maric Curie ) ได้ทำการทดลองกับธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิด และพบว่าธาตุบางชนิดมีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียม ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องนี้ เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ( radioactivity ) และธาตุที่มีการแผ่รังสีได้เองเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี ( radioactive element )
จากการศึกษารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีทั่วไป

           โดยให้รังสีดังกล่าวผ่านเข้าไปในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ พบว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีแยกเป็น 3 แนว ดังรูป 4.1 รังสีที่เบนน้อยและไปทางซ้ายของแนวเดิม เรียกว่า รังสีแอลฟา ( alpha ray ) รังสีที่เบนมากและในทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟา เรียกว่า รังสีบีตา ( beta ray ) ส่วนรังสีที่พุ่งตรงไม่เบี่ยงเบนเลย เรียกว่า รังสีแกมมา ( gamma ray ) และนิยมเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ และ ตามลำดับ
           เราทราบแล้วว่า อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเมื่อเคลื่อนที่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออนุภาคทำให้ทิศการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป ทำให้ทราบว่ารังสีแอลฟามีประจุไฟฟ้าบวก รังสีบีตามีประจุไฟฟ้าลบและรังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า
 

การศึกษารังสีทั้งสามชนิด ทำให้ทราบสมบัติต่าง ๆ ของรังสีเหล่านี้เพิ่มขึ้นดังนี้

 รังสีแอลฟา มีส่วนประกอบเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ 4u มีประจุไฟฟ้า +2e มีพลังงานประมาณ 6 MeV รังสีแอลฟาสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคือสามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 5 เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบาง ๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจากรังสีนี้คือนิวเคลียสที่เป็นอนุภาค บางครั้งจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา
           รังสีบีตา เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คือิเล็กตรอน ( ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ) มีพลังงานประมาณ 1 MeV รังสีบีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อำนาจทะลุผ่านของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา
           รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีพลังงานประมาณ 0.01 MeV สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอำนาจทุลุผ่านมากที่สุดใน การสลายกัมมันตรังสี ในการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่ามีนิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น พร้อมกับปล่อยรังสีหรืออนุภาคมาเสมอ เราเรียกกระบวนการนี้ว่า การสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) หรือเรียกสั้นๆ ว่า การสลาย (decay)
          ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุหนึ่งปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมานั้นจะมีการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสโดยที่เลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 เมื่อนิวเคลียสมีเลขอะตอมหรือจำนวนโปรตอนเปลี่ยนไป ทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุใหม่ ขณะที่นิวเคลียสของธาตุเดิมสลายไป และเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ พร้อมกับมีการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา เรียกการสลายนี้ว่า การสลาย ให้อนุภาคแอลฟา (alpha decay) ตัวอย่างเช่น ในการสลายของยูเรเนียม -238 แล้วเกิดเป็นทอเรียม -234 พร้อมกับปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ดังรูป 4.9 ซึ่งอาจเขียนแทนได้ด้วยสมการการสลายดังนี้         สำหรับนิวเคลียสที่ปล่อยอนุภาคบีตา พบว่าเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 แต่เลขมวลไม่เปลี่ยน ซึ่งเป็นผลทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้นเช่นกัน เรียกการสลายนี้ว่า การสลายให้อนุภาคบีตา (beta decay) ตัวอย่างเช่น การสลายของไอโอดีน -131 แล้วเกิดเป็นซีนอน -131 พร้อมกับปล่อยอนุภาคบีตาออกมา ดังรูป 4.10 ซึ่งอาจเขียนแทนได้ด้วยสมการการสลายดังนี้             การที่เป็นเช่นนี้ อธิบายได้ว่า เป็นเพราะนิวตรอนเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนพร้อมกับให้อิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาออกมา ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสจึงเพิ่มขึ้น แต่เลขมวลยังคงเดิม
          ในการสลายให้อนุภาคแอลฟาและบีตามักมีรังสีแกมมาออกมาด้วย เพราะภายหลังการสลายทั้งสองแบบนี้ นิวเคลียสจะเปลี่ยนระดับพลังงานมาสู่ระดับที่ต่ำกว่า เป็นผลให้มีการปล่อยรังสีแกมมา (gamma ray emission) ออกมา ในการปล่อยรังสีแกมมา เลขมวลและเลขอะตอมของนิวเคลียสไม่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างการปล่อยรังสีแกมมา ได้แก่ การสลายของตะกั่ว -214 เป็นบิสมัท -214 โดยนิวเคลียสของบิสมัท -214 อยู่ในสถานะกระตุ้น (มีเครื่องหมาย * กำกับ) ดังสมการ (ก) แล้วสลายต่อเป็นบิทมัส -214 ที่อยู่ในสถานะฟื้นและปลดปล่อยรังสีแกมมาดังสมการ (ข)  ไอโซโทป  เมื่อพิจารณาอนุกรมการสลายของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่ามีนิวเคลียสบางกลุ่ม ที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น กลุ่มของยูเรเนียม ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียม ยูเรเนียม -235 และยูเรเนียม -238 นิวเคลียสต่างๆ ในกลุ่มนี้มีเลขอะตอมเท่ากัน คือ 92 แต่มีเลขมวลต่างกัน นั่นคือ นิวเคลียสเหล่านี้มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน เราเรียกนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันนี้ว่า เป็น ไอโซโทป (isotopes) ของธาตุเดียวกัน

          ไอโซโทปของธาตุหนึ่งอาจมีทั้งที่ไม่เสถียรคือมีการสลายต่อไป ที่เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioisotopes) และที่ไม่มีการสลายต่อไปซึ่งเรียกว่า ไอโซโทปเสถียร (stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะกั่วมี 5 ชนิด ซึ่งแบ่งออกเป็น ไอโซโทปกัมมันตรังสี 2 ชนิด คือ ตะกั่ว -210 และตะกั่ว -214 และไอโซโทปเสถียร 3 ชนิด คือ ตะกั่ว -206 ตะกั่ว -207 และตะกั่ว -208 สำหรับธาตุบางธาตุอาจมีไอโซโทปกัมมันตรังสีก็ได้

ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ เพื่อใช้ในวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เราเรียกไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติว่า ไอโซโทปประดิษฐ์ (artificial radioisotopes) ธาตุกัมมันตรังสีในตาราง 4.5 ล้วนเป็นไอโซโทปประดิษฐ์ทั้งสิ้น            ไอโซโทปของไฮโดรเจน

          ไฮโดรเจนมีไอโซโทป 3 ชนิด ชนิดแรก คือไฮโดรเจนธรรมดา มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน ชนิดที่สอง มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 1 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ดิวเทอเรียม (deuterium) และนิวเคลียสของดิวเทอเรียม เรียกว่า ดิวเทอเรียม (deuterium) ชนิดที่สาม มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ทริเทียม (tritium) และนิวเคลียสของทริเทียม เรียกว่า ทริทอน (triton) ไอโซโทปสองตัวแรก เป็นไอโซโทปที่มีในธรรมชาติ ส่วนทริเทียมเป็นไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ