Nasze dotychczasowe rozważania o chemii
koncentrowały się wokół
stabilności elektronów i sytuacji,
w których elektrony tworzyły stabilne powłoki elektronowe.
Ale jeśli przyjrzysz się dokładnie atomowi,
okaże się, że elektrony
nie są jego jedynymi składnikami.
Wewnątrz jądra atomowego również są pewne oddziaływania
i pewna niestabilność, którą czasem trzeba rozładować.
I o tym właśnie będziemy rozmawiać
w tym filmie.
Ta tematyka wychodzi poza zakres
pierwszej klasy chemii,
ale dobrze jest mieć świadomość, że takie rzeczy w ogóle się dzieją.
Kiedyś uczyliśmy się o siłach jądrowych,
fizyce kwantowej i tym podobnych.
Dzisiaj możemy zacząć zastanawiać się, co dokładnie
dzieje się z protonami i neutronami oraz kwarkami
i w jaki sposób oddziałują ze sobą.
Zastanówmy się przynajmniej
nad różnymi drogami rozpadu jądra atomowego.
Powiedzmy, że mam zbiór protonów.
Narysuję kilka protonów.
Są już protony. Narysuję też neutrony.
Użyję jakiegoś neutralnego koloru.
Może szarawy byłby dobry?
Rysuję więc neutrony.
Ile mam protonów?
Mam 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 protonów.
Narysuję do tego 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 neutronów.
Powiedzmy, że to jest jądro atomowe naszego atomu.
Jak pamiętacie z pierwszego filmu,
który przygotowałem o atomie,
trudno jest narysować atom,
ponieważ nie ma w nim jasno określonych granic.
Elektron może być wszędzie,
w każdym momencie może być wszędzie.
Ale gdyby trzeba było okreslić, gdzie znajduje się elektron
przez 90% czasu?
Powiedziałbyś wtedy, że to jest promień
albo że to jest średnica naszego atomu.
W pierwszym filmie powiedzieliśmy sobie,
że jądro jest nieskończenie małe w porównaniu w objętością,
w której może się znajdować elektron przez 90% czasu.
I naszym glównym wnioskiem było stwierdzenie,
że każdy przedmiot, jaki widzimy, jest tak naprawdę... pusty.
Wszystko to jest po prostu pustą przestrzenią.
Chciałem to powtórzyć,
ponieważ ta nieskończenie mała kropka, o której wcześniej mówiliśmy,
mimo że jest tylko niewielkim fragmentem całego atomu,
to niesie w sobie prawie całą jego masę.
To właśnie tutaj powiększyłem.
To nie są atomy, to nie są elektrony.
To jest jądro atomowe w powiększeniu.
Okazuje się, że czasami jądro atomowe
jest niestabilne i chce w jakiś sposób
osiągnąć bardziej stabilną konfigurację.
Nie będziemy się teraz zagłębiać w to,
co oznacza niestabilność jądra atomowego.
Ale żeby stać się bardziej stabilnym jądrem
czasami emituje ono cząstki alfa,
czyli inaczej: ulega rozpadowi alfa.
Rozpad alfa.
Emituje cząstki alfa,
co pewnie brzmi dla ciebie ciekawie.
Cząstka alfa to po prostu zbiór neutronów i protonów.
Cząstka alfa to dwa neutrony i dwa protony.
Te elementy jądra atomowego, które nie czuły się dobrze w jądrze atomowym,
tworzą cząstkę alfa
i ulegają emisji.
Po prostu opuszczają jądro atomowe.
Zastanówmy się, co się dzieje z atomem,
kiedy następuje taka emisja.
Powiedzmy, że mam tu jakiś przypadkowy pierwiastek.
Nazwę go E.
Ten pierwiastek ma p protonów.
Zaznaczę je kolorem protonów z rysunku.
Ma p protonów.
Ma też swoją liczbę masową,
czyli sumę protonów i neutronów.
Neutrony są tutaj szare.
Kiedy zachodzi przemiana alfa,
co się dzieje z tym atomem?
Liczba jego protonów zmniejsza się o dwa.
Więc po przemianie alfa ma (p - 2) protonów.
Liczba neutronów też zmniejsza się o dwa.
To oznacza, że liczba masowa zmniejsza się o cztery.
Mamy (p - 2) + (n - 2),
czyli liczba masowa minus cztery.
Masa tego atomu zmniesza się o 4.
Tak naprawdę - robi się z niego zupełnie nowy pierwiastek!
Pamiętaj, że pierwiastek jest zdefiniowany
przez liczbę protonów.
To oznacza, że w przemianie alfa, kiedy tracisz dwa neutrony
i dwa protony, zmieniasz jeden pierwiastek w inny,
bo zmieniasz liczbę protonów.
Jeśli oznaczę ten pierwiastek jako 1,
to ten będzie nowym pierwiastkiem - pierwiastkiem 2.
Pomyślimy teraz, co powstaje
podczas tej przemiany - emitujemy
dwa protony i dwa neutrony.
Czyli masa tej cząstki to będzie masa dwóch protonów
i dwóch neutronów.
Co w takim razie emitujemy?
Emitujemy coś o masie równej 4.
Co ma w sobie dwa protony i dwa neutrony?
Przyznaję, że nie mam w głowie układu okresowego...
Zapomniałem go też wkleić do tego filmu.
Ale nie zajmie ci dużo czasu, żeby się zorientować w układzie okresowym,
że pierwiastek, który ma dwa protony w jądrze, to hel.
Jego masa atomowa wynosi 4.
Czyli cząstki alfa to tak naprawdę
jądra atomu helu.
To jest jądro atomowe helu.
Ponieważ jest to jądro atomowe
i nie ma przy nim elektronów,
to będzie to jon.
Skoro nie ma tu elektronów,
a ma dwa protony, to jego ładunek wynosi + 2.
Czyli cząstka alfa to jon helu o ładunku +2,
spontanicznie wyemitowany
przez jądro atomu, które chciało być bardziej stabilne.
To był jeden rodzaj rozpadu.
Przyjrzyjmy się teraz innym.
Narysuję tutaj inne jądro atomowe.
Kilka neutronów.
Kilka protonów.
Czasami okazuje się, że jakiś neutron
źle się czuje sam ze sobą.
Patrzy sobie na to, co protony robią na co dzień,
i mówi: "Wiesz co?
Z jakiegoś powodu serce mi podpowiada, że tak naprawdę
to powinienem być protonem.
Gdybym był protonem, całe nasze jądro
byłoby bardziej stabilne".
Co robi taki neutron?
Pamiętaj, że neutron nie ma ładunku.
Żeby stać się naładowanym protonem, musi wyemitować elektron.
Pewnie zaraz mi powiesz: "Sal, to wariactwo!
Nie przypuszczałem, że neutrony
mają w sobie jakieś elektrony!".
A ja się z tobą zgadzam.
To szaleństwo.
Pewnego dnia będziemy się uczyć o tym,
co znajduje się wewnątrz jądra atomowego.
Teraz po prostu powiedzmy, że zachodzi emisja elektronu.
To emituje elektron.
Zaznaczamy tutaj, że jego masa wynosi praktycznie zero.
Wiemy, że masa elektronu to nie jest zero,
ale teraz mówimy o jednostce masy atomowej.
Jeśli proton ma masę równą 1, to masa elektronu wynosi 1/1836 masy protonu.
Czyli jesteśmy gdzieś w okolicach zera.
Mówimy, że elektron praktycznie nie ma masy.
Chociaż jego masa nie jest zerowa.
Ładunek elektronu to (-)1.
można powiedzieć, że jego liczba atomowa
wynosi (-)1.
Emisja elektronu.
Po wyemitowaniu elektronu neutron przestaje być obojętny
i staje się protonem.
A ten proces nazywa się rozpadem beta [przyp.tłum.: jest to rozpad beta minus].
Cząstka beta to ten wyemitowany elektron.
Wracamy teraz do naszego przykładu z pierwiastkiem.
Ma jakąś liczbę protonów
i jakąś liczbę neutronów.
Kiedy weźmiesz sumę tych liczb,
otrzymasz liczbę masową.
Co się dzieje, gdy zchodzi przemiana beta?
Czy zmienia się coś w protonach?
Jasne! Mamy przecież o jeden proton więecej.
Dlatego, że jeden neutron stał się protonem.
Teraz liczba protonów jest o 1 większa.
Czy zmieniła się liczba masowa?
Sprawdźmy to.
Liczba neutronów zmalała o jeden,
ale liczba protonów wzrosła o jeden.
Czyli liczba masowa nie zmieniła się.
Nadal wynosi ona p + N.
Masa tego atomu się nie zmieniła - inaczej niż w przemianie alfa.
Zmienił się natomiast pierwiastek,
ponieważ zmieniła się liczba protonów.
Po raz kolejny mamy do czynienia z nowym pierwiastkiem
- tym razem po przemianie beta.
Zobaczmy teraz inną sytuację.
Powiedzmy, że mamy taka sytuację, w której jeden z tych protonówpatrzy na neutrony i mówi:
"Wiesz co?
Widzę, jak żyją sobie neutrony.
Bardzo mi się to podoba.
Wydaje mi się, że bardziej pasowałbym do nich, ich społeczności...
A do tego pewnie jądro byłoby wtedy bardziej szczęśliwe,
gdybym był neutronem.
Wszyscy bylibyśmy w bardziej stabilnych warunkach".
Co się wtedy dzieje? Ten malutki proton,
który czuje się niezbyt dobrze we własnej skórze,
może wyemitować pozyton (nie myl z protonem).
Emituje pozyton.
Co to jest pozyton?
To jest takie coś, co ma identyczną masę
jak elektron.
Czyli jego masa to 1/1836 masy protonu.
Ale zapisujemy tutaj zero,
bo taka masa jest bardzo bliska zeru.
Pozyton ma ładunek dodatni (pozytywny, stąd nazwa).
Nieco mylące jest to,
że nadal zapisujemy tutaj symbol e.
Zawsze, gdy widzę e, myślę o elektronie.
Ale nie tym razem! Ponieważ e oznacza tutaj
jednakowy typ cząstek - i po prostu pozyton
zamiast ładunku ujemnego ma dodatni.
To jest pozyton.
Zaczynamy wchodzić w coraz bardziej egzotyczny świat
przeróżnych cząstek.
Ale to się naprawdę dzieje.
Jeśli proton emituje pozyton,
to ucieka od niego cały ładunek dodatni
i proton staje się neutronem.
I to się nazywa emisja pozytonu (emisja pozytonowa).
Emisja pozytonu jest łatwa do zapamiętania,
bo jest po prostu... emisją pozytonu [przyp.tłum.: w Polsce ten proces nosi też nazwę przemiany beta plus].
Zaczynamy znowu od pierwiastka E,
który ma określoną liczbę protonów i neutronów.
Jak będzie wyglądał nowy pierwiastek - po emisji pozytonu?
Traci jeden proton, czyli mamy p - 1.
Ten utracony proton staje się neutronem.
Czyli p pomniejsza się o jeden,
ale N zwiększa się o jeden.
Liczba masowa nie ulega zmianie.
Liczba masowa do p + N.
Ale i tak mamy w efekcie inny pierwiastek.
Kiedy zachodzi przemiana beta minus,
zwiększa się liczba protonów.
Czyli przesuwamy się w prawą stronę układu okresowego,
bo zwiększamy liczbę atomową.
Kiedy zachodzi przemiana beta plus,
zmniejsza się liczba protonów.
Powinienen to zapisać w obu tych reakacjach.
To jest rozpad beta plus,
więc zostaję z jednym pozytonem.
W rozpadzie beta minus zostaje mi natomiast elektron.
Są zapisane w ten sam sposób.
Wiesz, że to jest elektron, bo ma ładunek ujemny.
A tu wiesz, że to pozyton,
bo ma ładunek dodatni.
Został nam jeszcze jeden rodzaj przemiany jądrowej,
który powinieneś poznać.
Ta przemiana nie powoduje zmiany
liczby protonów ani liczby neutronów.
Uwalnia się za to mnóstwo energii.
Ta przemiana nazywa się przemianą gamma.
Przemiana gamma oznacza, że zmienia się
energia wewnątrz jądra atomowego.
Może te cząstki przysuwają się do siebie...
W jądrze atomowym zachodzą zmiany,
które powodują wydzielenie fali elektromagnetycznej o wysokiej energii.
Ta energia to właśnie promieniowanie gamma,
inaczej nazywana kwantem gamma.
Ma bardzo dużą energię.
Promieniowanie gamma to coś, czego nie chciałbyś spotkać w okolicy.
Jest tak silne, że może próbować cię zabić!
Wszystko, co do tej pory robiliśmy, to teoria.
Przyjrzyjmy się teraz jakimś realnym problemom.
Sprawdźmy, z jakimi przemianami mamy do czynienia.
Mam tutaj beryl, którego liczba masowa
wynosi 7.
Beryl uległ przemianie do litu-7.
Co się tutaj stało?
Masa pierwiastka jest taka sama,
ale zmieniła się liczba protonów - z czterech na trzy.
Mam teraz mniej protonów niż na początku.
Ale masa atomu się nie zmieniła.
To na pewno nie jest przemiana alfa.
W przemianie alfa
uwalniane jest całe jądro atomu helu.
A tutaj? Co się uwalnia?
Uwolnił się jeden ładunek dodatni,
czyli pozyton.
Mam to zapisane w tym równaniu.
To jest pozyton.
Czyli ta przemiana (berylu-7 w lit-7)
to emisja pozytonu, przemiana beta plus.
W porządku.
Spójrzmy na następny przykład.
Jest tutaj uran-238 i zmienia się w tor-234.
Widzimy, że liczba masowa zmniejszyła się o 4,
zmalała masa atomu
i zmalała liczba atomowa - o 2.
Zostało wyemitowane coś
o masie atomowej 4
i o liczbie atomowej 2 - czyli jądro helu.
W takim razie jest to przemiana alfa.
To tutaj to cząstka alfa.
Ta przemiana to przykład rozpadu alfa.
Teraz prawdopodobnie powiesz mi: "Sal, tutaj się dzieje
coś dziwnego.
Skoro zmniejszam liczbę protonów z 92 na 90,
to i tak zostają mi 92 elektrony.
Czy w takim razie nie powinno tu być ładunku (-)2?
Albo tutaj, uwalniamy jądro helu,
które nie ma elektronów.
Jest to tylko jądro.
Czyż to nie powinno mieć ładunku dodatniego?".
Gdybyś tak powiedział, miałbyś rację.
Ale rzeczywistość jest taka, że kiedy zachodzi ta przemiana,
tor nie ma powodów,
żeby trzymać przy sobie te dwa elektrony. Te elektrony
uciekają, a tor staje się obojętny.
A to jądro helu
bardzo chce dostać dwa elektrony, żeby być stabilne.
Dlatego bardzo szybko zagarnia dla siebie tamte dwa elektrony
i staje się stabilne.
I dlatego możemy pisać tę przemianę w ten sposób.
To teraz kolejny przykład.
Mam tutaj jod.
Zobaczmy, co się dzieje.
Masa się nie zmienia.
Czyli muszę mieć tutaj protony zmieniające się w neutrony
lub neutrony zmieniające się w protony.
Widzę też, że mam na początku 53 protony,
a po przemianie jest ich 54.
Czyli to neutron musiał się przekształcić w proton.
Zniknął neutron, a powstał proton.
Neutron przekształca się w proton
i emituje przy tym elektron.
Widać to w zapisie tej przemiany.
Został wyemitowany elektron.
Czyli jest to przemiana beta minus.
To jest cząstka beta minus.
Ciągle jest ten sam sposób myślenia.
Zmienia się liczba atomowa z 53 na 54.
Mam więc dodatkowy proton.
Czy nie powinno być tu dodatniego ładunku?
Mógłby być.
Ale proces jest bardzo szybki. W naczyniu mamy mnóstwo takich atomów
i mnóstwo elektronów. Na pewno jakiś elektron
zostanie złapany przez utworzony atom,
dzięki czemu ten atom będzie stabilny.
Ale masz całkowitą rację, że przez pewien krótki czas
to będzie jon.
Jeszcze jeden przykład.
Mamy tu radon-222, jego liczba atomowa to 86.
Radon przechodzi w polon-218 o liczbie atomowej 84.
To bardzo interesujący przykład.
Polon wziął swoją nazwę od Polski, od Marii Skłodowskiej-Curie.
Kiedy Skłodowska odkryła polon, Polska nie istniała.
To był koniec XIX wieku.
Polski nie było na mapach świata.
Była rozdzielona pomiędzy Prusy, Rosję i Austrię.
Skłodowska chciała pokazać, że Polacy istnieją,
że są jednym narodem.
Odkryła, że polon powstaje
z rozpadu radonu.
I nazwała nowy pierwiastek imieniem swojej ojczyzny, czyli Polski.
Taki jest przywilej przy odkrywaniu nowych pierwiastków - możesz nadawać im nazwy.
Ale wracamy do przykładu.
Co się tutaj dzieje?
Masa atomowa obniża się o 4.
Liczba atomowa obniża się o 2.
Po raz kolejny mamy do czynienia z emisją cząstki alfa.
Cząstka alfa to jądro helu, czyli coś,
co ma masę równą 4, a liczbę atomową równą 2.
I jest!
Czyli to jest rozpad alfa.
Moglibyśmy to zapisać jako jądro helu.
Jądro nie ma elektronów.
Moglibyśmy też powiedzieć, że tutaj jest ładunek ujemny.
Ale robiliśmy już podobne przykłady.