หนังสือเรียนฟิสิกส์มัธยมปลาย ฉบับการศึกษาขั้นพื้นฐาน (ฉบับรุ่นใหม่): จากการย่อขนาดชิปจนถึงนิวเคลียส แรงอันยิ่งใหญ่ของฟิสิกส์ควอนตัม

ยินดีต้อนรับสู่จุดที่น่าหลงใหลที่สุดของฟิสิกส์:ฟิสิกส์นิวเคลียร์ในบทนำของบทนี้ เราจะต้องทำลายความเชื่อผิด ๆ ว่าฟิสิกส์ควอนตัมเป็นเพียงทฤษฎีในหอคอยหยก ความจริงแล้ว สมาร์ทโฟนที่คุณถืออยู่นั้น ล้วนเป็นการประยุกต์ใช้ฟิสิกส์ควอนตัมที่อยู่ในกระเป๋าของคุณ

1. กำแพงควอนตัมของการย่อขนาดชิป

เมื่อกฎโมลล์ผลักดันให้ชิปเข้าสู่ โหนด 3 นาโนเมตรอิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่เหมือนลูกบอลในเส้นลวดอีกต่อไป ตามสมมติฐานเดอบรอยล์ อิเล็กตรอนแสดงลักษณะคลื่นที่ชัดเจนลักษณะคลื่นหากนักออกแบบชิปไม่คำนึงถึงการแจกแจงความน่าจะเป็นของฟังก์ชันคลื่น อิเล็กตรอนจะทะลุชั้นฉนวนผ่านปรากฏการณ์ 'ควอนตัมทูเนล' ส่งผลให้ชิปไหม้

2. จุดเปลี่ยนทางประวัติศาสตร์: งานประชุมซอลเวอร์ 1927

以爱因斯坦、玻尔为首的物理巨匠在第五届索尔维会议上对量子力学本质的争论，不仅确立了哥本哈根诠释，更为我们理解固体物理及后续深入原子核内部探测奠定了理论基石。从那一刻起，人类开始掌握操控物质微观规律的主动权。

3. การสังเกตคลื่นของสสารตามทฤษฎีเดอบรอยล์ในระดับมหภาค

สูตร λ = h / mv 揭示了万物皆有波动性。普朗克常数 $h$ 的极小值（$6.63 \times 10^{-34} J \cdot s$）是宏观物体波动性难以观察的根本原因。对于一个跑步的人，其质量 $m$ 极大，导致波长 $\lambda$ 甚至小于一个质子的直径，目前的实验手段完全无法捕捉其干涉现象。

คำถามที่ 1

อธิบายเนื้อหาหลักของสมมติฐานคลื่นของสสารของเดอบรอยล์ และอธิบายว่าทำไมเราจึงไม่สามารถสังเกตเห็นลักษณะคลื่นของคนที่กำลังวิ่งได้ในชีวิตประจำวัน?

แกนหลักคือ λ = h/p; ไม่สามารถสังเกตได้เพราะโมเมนตัมของคนมีค่ามาก ความยาวคลื่นสั้นมาก ไกลเกินกว่าขอบเขตการตรวจจับ

แกนหลักคือการอนุรักษ์พลังงาน; ไม่สามารถสังเกตได้เพราะคนไม่ใช่อนุภาคขนาดเล็ก จึงไม่มีลักษณะคลื่น-อนุภาคสองนิยาม

คำถามที่ 2

จงเขียนสมการปฏิกิริยานิวเคลียร์จากการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสเทียมต่อไปนี้: (1) ${ }_{11}^{23} \mathrm{Na}$ (นิวเคลียสโซเดียม) ดูดซับอนุภาค α หนึ่งอนุภาค แล้วปล่อยโปรตอนออกมา (2) ${ }_{13}^{27} \mathrm{Al}$ (นิวเคลียสอะลูมิเนียม) ดูดซับอนุภาค α หนึ่งอนุภาค แล้วปล่อยนิวตรอนออกมา (3) ${ }_{8}^{16} \mathrm{O}$ (นิวเคลียสออกซิเจน) ดูดซับนิวตรอนหนึ่งอนุภาค แล้วปล่อยโปรตอนออกมา (4) ${ }_{14}^{28} \mathrm{Si}$ (นิวเคลียสซิลิกอน) ดูดซับโปรตอนหนึ่งอนุภาค แล้วปล่อยนิวตรอนออกมา

ตัวเลือก A: (1) Na+He->Mg+H; (2) Al+He->P+n; (3) O+n->N+H; (4) Si+H->P+n

选项 B：(1) Na+H->Ne+He; (2) Al+n->Mg+H; (3) O+He->Ne+n; (4) Si+He->S+n

คำถามที่ 3

ระบุประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่อไปนี้: (1) $^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{0}_{-1}\text{e}$ (2) $^{235}_{92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{140}_{54}\text{Xe} + ^{94}_{38}\text{Sr} + 2^{1}_{0}\text{n}$ (3) $^{19}_{9}\text{F} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{22}_{10}\text{Ne} + ^{1}_{1}\text{H}$ (4) $^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$

การสลายตัวแบบเบต้า, การแตกตัวของนิวเคลียสหนัก, การเปลี่ยนแปลงโดยมนุษย์, การรวมตัวของนิวเคลียสเบา

การสลายตัวแบบอัลฟา, การรวมตัวของนิวเคลียสเบา, การแผ่รังสีตามธรรมชาติ, การแตกตัวของนิวเคลียสหนัก

คำถามที่ 4

เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมกับโลกในระดับมหภาค ข้อความใดต่อไปนี้ผิด?

หนึ่งในปัจจัยจำกัดของกระบวนการผลิตชิปสมัยใหม่คือปรากฏการณ์ควอนตัมทูเนลของอิเล็กตรอน

ต้องพิจารณาฟิสิกส์ควอนตัมเฉพาะในห้องแล็บระดับไมโครเท่านั้น

วัตถุขนาดใหญ่ก็มีลักษณะคลื่นเช่นกัน แต่ความยาวคลื่นสั้นเกินไปจึงมองไม่เห็น

คำถามที่ 5

德布罗意假说λ = h/p中，若物体的速度增加，其德布罗意波长会如何变化？

ความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น

ความยาวคลื่นลดลง

การคำนวณเชิงรวม: การอนุรักษ์พลังงานในกระบวนการสลายตัวของนิวเคลียสพลูโตเนียม

วิเคราะห์เชิงปริมาณกระบวนการสลายตัวของพลูโตเนียม-239

ไอโซโทปที่แผ่รังสีของพลูโตเนียม $^{239}_{94}\text{Pu}$ เมื่ออยู่นิ่งจะสลายตัวเป็นนิวเคลียสยูเรเนียมในสถานะกระตุ้น $^{235}_{92}\text{U}^*$ และอนุภาค α นิวเคลียสยูเรเนียมในสถานะกระตุ้นจะสลายตัวเป็นนิวเคลียสยูเรเนียมทันทีพร้อมปล่อยแสงกัมม่า 0.097 MeV ทราบค่ามวลของอนุภาคต่าง ๆ ดังนี้: $m_{Pu}=239.0521u$, $m_U=235.0439u$, $m_α=4.0026u$ (1u = 931.5 MeV)

คำถาม

1. กรุณาเขียนสมการการสลายตัวทั้งหมด และคำนวณค่าความสูญเสียมวล Δm

คำตอบ:
方程：$^{239}_{94}\text{Pu} \rightarrow ^{235}_{92}\text{U} + ^{4}_{2}\text{He} + γ$ 质量亏损计算：Δm = 239.0521 - (235.0439 + 4.0026) = 0.0056 u。

คำถาม

2. ทราบว่าโมเมนตัมของโฟตอนสามารถละเลยได้ จงหาพลังงานจลน์ของอนุภาค α $E_{kα}$

คำตอบ:
总释放能量 E = 0.0056 × 931.5 = 5.2164 MeV。可用动能 E_k = E - 0.097 = 5.1194 MeV。根据动量守恒，动能分配与质量成反比：$E_{kα} = [m_U / (m_U + m_α)] \times E_k = (235/239) \times 5.1194 ≈ 5.034 MeV$。