Kõik, millega me oleme senini oma
keemiaalaste teadmiste ammutamise teekonnal tegelenud, on keerelnud
peamiselt elektronide stabiilsuse, samuti selle ümber, kus elektronid
stabiilsetes aatomites paiknevad.
Nii nagu elus, nii on ka aatomi puhul -
kui uurida aatomit natuke lähemalt, taipame, et elektronidega seonduv pole
ainus, millega aatomi puhul kokku puutume.
Ka aatomi tuuma sees eksisteerib mõningaid vastasmõjusid,
ebastabiilsust, mis otsib võimalust mingil moel vabaneda.
Sellest me käesolevas videos räägimegi.
Selle nähtuse mehhanism ei ole
keemia esimese kursuse teema, aga on hea
teada, et midagi sellist eksisteerib.
Kui me ühel päeval hakkame õppima tugevat vastasmõju ja
kvantfüüsikat, siis me saame hakata rääkima sellest,
miks prootonid, neutronid ja
nendes sisalduvad kvargid omavad sellist vastasmõju.
Vaatleme erinevaid võimalusi, kuidas
tuum saab laguneda.
Olgu meil mingi kogus prootoneid.
Joonistan mõne siia.
Joonistan ka mõned neutronid.
Joonistan need neutraalse värviga.
Hall värv on sobiv.
Joonistan nüüd mõned neutronid siia.
Mitu prootonit mul siin ongi?
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.
Teen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 neutronit.
Olgu see meie aatomi tuum.
See on aatomi tuum.
Aatomit on tegelikult väga raske joonistada,
sest sellel pole selgeid piire.
Elektron võib mingil ajahetkel olla kõikjal.
Aga kui te siiski peaksite määrama piirkonna, kus elektron on 90% ajast.
Ütleksite, et see on raadius, või et see
on meie aatomi diameeter.
Esimeses videos õppisime, et aatomi tuum
moodustab vaid tühise osa selle kera ruumalast,
kus elektron 90% ajast on.
Enamus sellest, mida me päriselus näeme,
on lihtsalt tühi ruum.
Kõik see siin on tühi ruum.
Kuigi tuum moodustab vaid tühise osa aatomist ruumalast,
Kuigi tuum moodustab vaid tühise osa aatomi ruumalast,
Kuigi tuum moodustab vaid tühise osa aatomist ruumalast,
on selles peaaegu kogu aatomi mass.
Suurendan siin aatomi tuuma.
Need ei ole aatomid ega elektronid.
Vaatleme suurendatud tuuma.
Selgub, et vahel on aatomi tuum ebastabiilne
ja soovib saavutada stabiilsemat olekut.
Jätame siinkohal süvenemata sellise ebastabiilse oleku mehaanikasse.
Et saada stabiilsemasse olekusse,
paisatakse tuumast mõnikord välja alfaosake -
sellist nähtust nimetatakse alfalagunemiseks.
Alfalagunemine.
Tuumast paisatakse välja alfaosake.
Eraldub alfaosake.
See on neutronite ja prootonite kogu.
Alfaosake koosneb kahest neutronist ja kahest prootonist.
Ilmselt need osakesed ei sobinud sellesse tuuma,
moodustasid omaette kogu
ja paisati tuumast välja.
Need osakesed lahkuvad tuumast.
Vaatame, mis juhtub aatomiga,
kui midagi sellist juhtub.
Olgu meil mingi suvaline element,
anname sellele nimeks E.
Olgu sellel p prootonit.
Joonistan prootonid teise värviga.
Sellel on p prootonit.
Selle aatomi aatommass on
prootonite ja neutronite summa.
Teeme neutonid halliga.
Mis juhtub peale alfalagunemist elemendiga?
Prootonite arv väheneb kahe võrra.
Uueks prootonite arvuks on seega p miinus 2.
Neutronite arv väheneb samuti 2 võrra.
Massiarv väheneb seega 4 võrra.
Siia tuleb p miinus 2, pluss neutronid miinus 2,
kokku miinus 4.
Seega aatommass väheneb 4 võrra
ja moodustub uus element.
Tuletame meelde, et elemendi määrab prootonite arv.
Selle alfalagunemise korral, kui aatom kaotab 2 neutronit ja
2 prootonit, just prootonite arvu muutumine
põhjustab uue elemendi moodustumise.
Nimetame selle element 1,
nüüd on meil element 2.
Tuumast paisati välja midagi,
millel on 2 prootonit ja 2 neutronit.
Eralduva osakese mass on seega 2 prootoni ja
2 neutroni mass.
Mis on see osake, mis tuumast välja paisati?
Sellel on aatommass 4.
Vaatame, millel on 2 prootonit ja 2 neutronit.
Mul ei ole küll kahjuks perioodilisustabelit hetkel käepärast,
unustasin selle enne video tegemist kopeerida.
Ei võta ilmselt kuigi kaua aega, et leida perioodilisustabelist,
et element, millel on 2 prootonit, on heelium.
Selle aatommass on 4.
Seega, alfalagunemise käigus eraldub heeliumi tuum.
See on tegelikult heeliumi tuum.
Kuna see on heeliumi tuum ilma elektronideta,
siis see on heeliumi ioon.
Sellel pole elektrone.
Sellel on 2 prootonit, seega laeng on pluss 2.
Alfaosake on seega tegelikkuses heeliumioon laenguga 2,
mis on aatomi tuumast välja paisatud,
et tuum saavutaks stabiilsema oleku.
See on esimest tüüpi lagunemine.
Vaatleme nüüd teisi.
Joonistan ühe teise tuuma.
Joonistan mõned neutronid.
Joonistan mõned prootonid.
Selgub, et vahel neutron ei tunne
end neutronina mugavalt.
Neutron vaatab, mida prootonid teevad ja tunneb,
et ta peaks tegelikult hoopiski prooton olema.
Kui see neutron saaks olla prooton,
oleks kogu aatomi tuum stabiilsem.
Tuletame meelde, et neutronil puudub laeng.
Et saada prootoniks,
peab neutron paiskama välja elektroni.
See võib teile tunduda veidi kummaline,
et neutronites võib olla elektrone.
Ja ma olen teiega nõus.
See on hullumeelne.
Ühel päeval me õpime, mis
sisaldub aatomituumas.
Ütleme, et neutron saab paisata endast välja elektroni.
Seega see paiskab välja elektroni.
Elektroni mass on jämedalt võttes ligikaudu null.
Me teame, et elektroni mass ei ole tegelikult päris ,
aga me räägime aatommassist.
Kui prootoni mass on üks, siis elektroni mass on 1/1836 sellest.
Seega me siiski vaid ümardame seda.
Ütleme, et elektroni mass on null.
Tegelikult selle mass loomulikult pole null.
Selle laeng on miinus 1.
Võib öelda, et selle aatomnumber on miinus 1.
Seega neutron paiskab välja elektroni.
Paisates välja elektroni, muutub neutron prootoniks.
Sellist tüüpi lagunemist nimetatakse beetalagunemiseks.
Beetaosake on tegelikkuses väljapaisatud elektron.
Lähme tagasi oma elemendi E juurde.
Sellel on mingi arv p prootoneid ning
mingi arv N neutroneid.
Prootonid ja neutronid annavad kokku massiarvu.
Mis juhtub elemendiga beetalagunemise korral?
Kas prootonite arv muutub?
Loomulikult, meil on võrreldes esialgsega 1 prooton rohkem,
sest meie neutron muutus prootoniks.
Seega on nüüd prootoneid 1 võrra rohkem.
Kas aatommass muutus?
Vaatame.
Neutronite arv vähendes 1 võrra, kuid
prootonite arv suurenes 1 võrra.
Seega massiarv jäi samaks.
Seega on massiarv endiselt p pluss N.
Erinevalt alfalagunemisest, jääb aatommass samaks,
kuid element siiski muutub,
sest prootonite arv muutub.
Seega on meil peale beetalagunemist uus element.
Vaatame nüüd teist olukorda.
Olgu meil olukord, kus üks prootonitest
vaatab neutroneid ja
kuna talle meeldib, kuidas need elavad,
leiab, et kõik osakesed oleksid selles tuumas õnnelikumad,
kui see prooton oleks neutron.
Kõik osakesed oleksid stabiilsemas olekus.
See end ebamugavalt tundev prooton
omab võimet paisata välja positron (mitte prooton).
See on teie jaoks midagi uut.
See paiskab välja postironi.
Mis on positron?
Sellel on sama suur mass, kui elektronil.
Mass on seega 1/1836 prootoni massist.
Me kirjutame siia nulli, sest aatommassi ühikutega võrreldes
on selle mass üsna nulli lähedane.
Kuid sellel on positiivne laeng.
See võib natuke segadusse ajada,
sest siia kirjutatakse endiselt e.
Millal iganes ma näen e, mõtlen sellest kui elektronist.
Aga ei, kirjutatakse e, sest see on sama tüüpi osake,
kuid omab negatiivse laengu asemel positiivset.
See on positron.
Osakeste tüübid hakkavad muutuma järjest eksootilisemaks.
Seda tuleb ette.
Kui prooton paiskab välja sellise positiivse osakese,
siis prooton muutub neutroniks.
Seda nimetatakse positroni väljapaiskamiseks.
Positroni väljapaiskamise sisu on lihtne mõista,
sest seda kutsutakse positroni väljapaiskamiseks.
Alustame selle sama elemendi E-ga,
millel on kindel number prootoneid ja neutroneid
Milline on nüüd uus element?
Element kaotab prootoni, p miinus 1.
Prooton muutub neutroniks
Seega p väheneb 1 võrra.
N suureneb 1 võrra.
Aatommass ei muutu,
see on endiselt p pluss N.
Kuid me saame siiski uue elemendi, eks ole?
Beetalagunemise korral prootonite arv suurenes.
Seega liikusime perioodilisustabelis paremale.
Positroni väljapaiskamise korral
vähendasime prootonite arvu.
Kirjutan selle mõlemasse tuumareaktsiooni.
Positroni väljapaiskamise puhul
eraldub 1 positron.
Beetalagunemise puhul eraldub üks elektron.
Neid kirjutatakse samamoodi.
Saame aru, et tegemist on elektroniga, kuna sellel on laeng -1.
Saame aru, et tegemist on positroniga, kuna sellel on laeng +1.
On veel üks tüüp lagunemist, mida peaksid teadma.
See ei muuda prootonite ega neutronite arvu tuumas.
Kuid see vabastab suure hulga energiat,
kõrge energiaga footoni.
Seda nimetatakse gammakiiruseks.
Gammakiirgus tähendab, et need osakesed siin
paigutavad end ümber.
Võibolla nad lähenevad üksteisele.
Nii tehes eraldavad nad energiat
väga suure sagedusega elektromagnetiliste lainete näol.
Võime seda nimetada gammaosakeseks või gammakiirguseks.
See on väga kõrge energiaga.
Gammakiirgus on midagi sellist, mille lähedusse ei tasu sattuda.
Suure tõenäosusega need tapaksid su.
See, millest rääkisin, oli natuke liiga teoreetiline.
Vaatame mõningaid reaalseid olukordi ja
üritame tuvastada, millist tüüpi radioaktiivse lagunemisega on meil nendel puhkudel tegemist.
Siin on meil berüllium-7, kus seitse
on selle aatommass.
See muundub siin liitium-7-ks.
Mis meil siis toimub?
Berülliumi aatommass jääb samaks,
aga prootonite arv väheneb neljalt kolmele.
Seega ma vähendan prootonite arvu.
Kogu mass ei muutunud.
Järelikult pole tegemist alfalagunemisega.
Alfalagunemise puhul eraldub elemendi tuumast heeliumi tuum.
Mis antud juhul eraldub?
Eraldub üks positiivne laeng ehk
eraldub positron.
See on kirjas siin võrrandis.
See on positron.
Seega muundumine berüllium-7-st liitium-7-ks on β+ lagunemine.
Vaatame nüüd järgmist lagunemise tüüpi.
Uraan-238 laguneb toorium-234-ks.
Näeme, et aatommass väheneb 4 võrra.
Näeme ka, et aatomnumber (ehk prootonite arv) väheneb 2 võrra.
Tuumast peab eralduma midagi,
mille aatommass on 4 ja aatomnumber on 2 -
see on heelium.
See on alfalagunemine.
See siin on alfaosake.
See on näide alfalagunemisest.
Siin toimub midagi imelikku.
Sest 92 prootonist jääb järele 90 prootonit, kuid
elektrone on endiselt 92
Kas siis ei peaks olema laenguks miinus 2?
Tuumast eralduval heeliumil ei ole elektrone.
See on kõigest heeliumi tuum.
Kas selle laeng ei peaks siis olema pluss 2?
Kui te nii arvasite, siis teil on täiesti õigus.
Reaalselt pole peale lagunemist tooriumil põhjust
neid kahte elektroni kinni hoida.
Seega toorium vabaneb neist kahest elektronist
ja muutub neutraalseks.
Heelium jällegi on väga kiire.
Heelium vajab 2 elektroni, et muutuda stabiilseks.
Heeliumi tuum haarab need 2 elektroni endale esimesel võimalusel
ning muutub stabiilseks.
Seda võib kirjutada mõlemal moel.
Vaatame järgmist lagunemise juhtumit.
Võtame järgmiseks joodi.
Vaatame, mis juhtub.
Massiarv ei muutu.
Seega prootonid peavad muutuma neutorniteks või
neutronid prootoniteks.
Algul oli 53 prootonit,
nüüd on 54 prootonit.
Seega pidi neutron muutuma prootoniks.
Neutron pidi muutuma prootoniks.
Elektroni eraldumisel muutub neutron prootoniks.
Näeme seda reaktsiooni siin.
Elektron on eraldunud.
See on beetalagunemine.
See on beetaosake.
Siin kehtib sama loogika, mida vaatlesime eelmise lagunemise puhul.
Kui 53-st prootonist sai 54, siis
kas meil ei peaks siin olema positiivne laeng.
Tõepoolest.
See ei pruugi tõenäoliselt saada seda sama elektroni,
kuid kuna elektrone liigub ümbruses ringi palju,
siis haarab see elektroni kuskilt ikkagi
ning muutub sellega stabiilseks.
Kuid teil on siiski õigus, kui mõtlete, et
see on üsna lühikest aega ioon.
Vaatame veel ühte näidet.
Olgu meil näiteks radoon-222, mille aatomnumber on 86.
Selle lagunemisel tekib poloonium-218 aatomnumbriga 84.
Huvitav on see, et
poloonium sai oma nime Poola järgi.
19. sajandi lõpus polnud Poola iseseisev riik,
vaid kuulus Preisimaale, Venemaale ja Austriale.
Polooniumi avastaja Marie Curie soovis, et
inimesed teadvustaks rohkem,
et on olemas ka selline rahvus nagu poolakad.
Kui radooni lagunemisel tekkis poloonium, siis
nimetaski Curie selle elemendi oma kodumaa Poola järgi.
See on uute elementide avastamise privileeg.
Aga nüüd tagasi probleemi juurde.
Mis juhtus?
Aatommass vähenes 4 võrra.
Aatomnumber vähenes 2 võrra.
Järelikult pidi jällegi vabanema heeliumi tuum.
Heeliumi tuuma aatommass
on neli ja aatomnumber 2.
Nonii.
Seega, see on alfaosake.
Võime selle kirja panna ku heeliumi tuuma.
Seega sellel pole elektrone.
Võime öelda, et sellel siin on
negatiivne laeng, aga kui see kaotab