ทุกอย่างที่เราได้เจอในการเดินทาง
ในวิชาเคมีนั้นเกี่ยวข้องกับเสถียรภาพของ
อิเล็กตรอนและตำแหน่งของอิเล็กตรอน
ในชั้นที่เสถียร
และเช่นเดียวกับสิ่งต่างๆ ในชีวิต ถ้าคุณสำรวจอะตอม
ลึกลงไป คุณจะพบว่าอิเล็กตรอนไม่ได้
เป็นสิ่งเดียวที่อยู่ในอะตอม
นิวเคลียสเองมีอันตรกิริยา หรือมี
ความไม่เสถียร ที่ต้องถูกปลดปล่อยออกมาสักทาง
นั่นคือสิ่งที่เราจะพูดถึงนิดหน่อย
ในวิดีโอนี้
และกลไกของมันอยู่นอก
บทเรียนเคมีปีหนึ่ง แต่อย่างน้อย
การรู้ว่ามันเกิดขึ้นนั้นเป็นเรื่องดี
และวันหนึ่ง เมื่อเราเรียนเรื่องแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม
และควอนตัมฟิสิกส์ อะไรพวกนั้น แล้วเราจะเริ่ม
พูดถึงกันว่าทำไมโปรตอนและนิวตรอนเหล่านี้
และควาร์กที่เป็นองค์ประกอบของพวกมัน จึงมีอันตรกิริยา
แบบที่เป็นอยู่
พูดอย่างนี้แล้ว ลองมาคิดถึง
วิธีต่างๆ ที่นิวเคลียสสามารถสลายตัวได้กัน
สมมุติว่าผมมีโปรตอนหลายๆ ตัว
ผมจะวาดหลายๆ ตัวตรงนี้
โปรตอนบางตัวอยู่ตรงนี้ ผมจะวาดนิวตรอนบ้าง
และผมจะวาดด้วยสีกลางๆ
ขอผมดูหน่อย สีเทาแบบนี้น่าจะดี
ขอผมวาดนิวตรอนตรงนี้นะ
ผมมีโปรตอนกี่ตัว?
ผมมี 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
ผมจะมีนิวตรอน 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ตัว
สมมุติว่านี่คือนิวเคลียสของอะตอมเรา
นึกดู -- นี่คือ ในวิดีโอแรก
ที่ผมพูดถึงเรื่องอะตอม -- นิวเคลียส ถ้าคุณ
วาดอะตอมจริงๆ -- มันยากที่จะ
วาดอะตอม เพราะมันไม่มีขอบเขตที่ชัดเจน
คุณก็รู้ ที่ขณะใดๆ อิเล็กตรอนสามารถ
อยู่ที่ใดก็ได้
แต่ถ้าคุณบอกว่า โอเค อิเล็กตรอน
จะอยู่ตรงไหน 90% ของเวลาที่มี?
คุณ็บอกว่า นั่นคือรัศมี หรือนั่น
คือเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอม
เราเรียนไปในวิดีโอแรกๆ ว่านิวเคลียส
คือส่วนเล็กสุดๆ ในปริมาตรของ
ทรงกลมนี้ที่อิเล็กตรอนอยู่ ประมาณ 90% ของเวลาที่มี
และบทเรียนที่เยี่ยมยอดคือว่า สิ่งที่
เรามองเห็นในชีวิตแทบทุกอย่างเป็นเพียงที่ว่าง
ทั้งหมดนี้เป็นแค่ที่ว่างเปล่า
แต่ผมอยากย้ำเรื่องนั้นเพราะจุดเล็ก
จิ๋วที่เราพูดถึงไปก่อนหน้านี้
ถึงแม้ว่ามันจะเป็นส่วนเล็กมากๆ เทียบกับ
ปริมาตรของอะตอม -- มันเกือบเป็น
มวลทั้งหมด -- นั่นคือภาพที่ผมขยายจุดตรงนี้
พวกนี้ไม่ใช่อะตอม พวกนี้ไม่ใช่อิเล็กตรอน
เราได้ขยายเข้าไปข้างในนิวเคลียส
และปรากฏว่า บางครั้งนิวเคลียส
นั้นไม่เสถียร และมันอยากเปลี่ยนไปมีรูปแบบ
ที่เสถียรขึ้น
เราจะไม่เรียนกลไกที่กำหนด
นิวเคลียสที่ไม่เสถียร อะไรพวกนั้น
แต่เพื่อให้ได้นิวเคลียร์ที่เสถียรยิ่งขึ้น
บางครั้งมันจะปล่อยสิ่งที่เรียกว่า อนุภาคอัลฟา
หรือนี่เรียกว่าสลายตัวอัลฟา
การสลายตัวอัลฟา
และมันปล่อยอนุภาคอัลฟา
ซึ่งฟังดูหรูหรามาก
มันก็แค่กลุ่มนิวตรอนกับโปรตอน
อนุภาคอัลฟาคือนิวตรอนสองตัว กับโปรตอนสองตัว
บางทีพวกนี้ พวกมันไม่รู้สึกว่าพวกมัน
เข้าลุ่ม พวกมันจึงจับกลุ่มกันตรงนี้
แล้วพวกมันก็ปล่อยตัวออกมา
พวกมันออกมาจากนิวเคลียส
ลองคิดกันว่าเกิดอะไรขึ้นกับอะตอมเมื่อ
อะไรเช่นนั้นเกิดขึ้น
สมมุติว่าผมมีธาตุสุ่มมาธาตุหนึ่ง ผมจะเรียก
มันว่าธาตุ E
สมมุติว่ามันมีโปรตอน p ตัว
ที่จริง ขอผมใช้สีนั้นแทนโปรตอนดีกว่า
มันมีโปรตอน p ตัว
แล้วมันมีเลขมวลอะตอม คือจำนวน
โปรตอนบวกจำนวนนิวตรอน
และนิวตรอนมีสีเทา จริงไหม?
เมื่อมันปล่อยรังสีอัลฟา
ธาตุนั้นจะเป็นอย่างไร?
โปรตอนของมันจะลดลง 2
โปรตอนของมันจะกลายเป็น p ลบ 2
แล้วนิวตรอนของมันจะลดลง 2 เช่นกัน
มวลของมันจะลดลงไป 4
บนนี้ คุณจะได้ p ลบ 2 บวกนิวตรอนลบ 2
เราจึงได้ลบ 4
มวลของคุณจึงลดลง 4 และคุณ
จะได้ธาตุใหม่
นึกดู ธาตุของเรากำหนดโดย
จำนวนโปรตอน
ในการสลายตัวอลัฟา เมื่อคุณเสียนิวตรอนสองตัว
และโปรตอนสองตัว โดยเฉพาะโปรตอนจะ
ทำให้คุณได้ธาตุอีกธาตุ
ถ้าเราเรียกว่าธาตุนี้ว่า 1 ผมจะเรียกมันว่า
เราจะได้ธาตุอีกธาตุแล้วตอนนี้ เรียกว่าธาตุ 2
และถ้าคุณคิดว่ามันสร้างอะไร เรากำลังปล่อย
สิ่งที่มีโปรตอนสองตัว
และมันมีนิวตรอนสองตัว
มวลของมันจะเท่ากับมวลของโปรตอนสองตัว
กับนิวตรอนสองตัว
เรากำลังปล่อยอะไร?
เรากำลังปล่อยสิ่งที่มีมวลเป็น 4
ถ้าคุณดู อะไรมีโปรตอน 2 ตัวกับนิวตรอน 2 ตัว?
ผมไม่จำตารางธาตุในหัว
ผมลืมลอกมันมาในวิดีโอนี้
แต่คุณไม่ต้องใช้เวลาหาในตารางธาตุนานนัก
ว่าธาตุที่มีโปรตอน 2 ตัวคืออะไร มันคือฮีเลียม
มันมีมวลอะตอมเป็น 4
นี่คือนิวเคลียสฮีเลียมที่มันปล่อยใน
การสลายตัวอัลฟา
นี่คือนิวเคลียสฮีเลียม
และเนื่องจากมันเป็นนิวเคลียสฮีเลียม และมันไม่มี
อิเล็กตรอนมากระทับกับโปรตอนสองตัว มันจะเป็น
ไอออนฮีเลียม
มันไม่มีอิเล็กตรอนเลย
มันมีโปรตอน 2 ตัว มันจึงมีประจุเป็นบวก 2
อนุภาคอัลฟา จริงๆ แล้วก็คือฮีเลียมไอออน ไอออน
ฮีเลียมที่มีประจุบวก 2 มันถูกปล่อยมาจาก
นิวเคลียสทัทีเพื่อไปยังสถานะที่เสถียรขึ้น
นั่นคือการสลายตัวประเภทหนึ่ง
ลองสำรวจประเภทอื่นกัน
ขอผมวาดนิวเคลียสอีกตัวตรงนี้นะ
ผมจะวาดนิวตรอน
ผมจะโปรตอนบ้าง
ปรากฏว่าบางครั้ง นิวตรอนรู้สึกว่า
ไม่พอใจในตัวเอง
มันดูสิ่งที่โปรตอนทำเป็นประจำ แล้วบอกว่า
รู้ไหม?
ด้วยเหตุผลบางอย่าง เวลาฉันมองเข้าไปในตัวตน ฉันรู้สึกว่าฉัน
จริงๆ แล้วควรเป็นโปรตอน
ถ้าฉันเป็นโปรตอน นิวเคลียสทั้งหมดจะ
เสถียรกว่านี้
แล้วสิ่งที่มันทำคือ มันกลายเป็นโปรตอน -- นึกดู
นิวตรอนมีประจุเป็นกลาง
สิ่งที่มันก็คือ มันปล่อยอิเล็กตรอน
และผมรู้ คุณจะบอกว่า ซาล มันบ้ามาก ฉัน
ไม่รู้เลยว่านิวตรอนมีอิเล็กตรอน
ในนั้นด้วย อะไรอย่างนั้น
และผมเห็นด้วยกับคุณ
มันบ้ามาก
และวันหนึ่ง เราจะศึกษาว่ามีอะไร
อยู่ในนิวเคลียสบ้าง
แต่ลองคิดไปก่อนว่ามันปล่อยอิเล็กตรอนได้
ตัวนี้ปล่อยอิเล็กตรอน
และเราแสดงมันได้ -- มวลของมันประมาณเท่ากับ 0
เรารู้ว่าอิเล็กตรอนจริงๆ แล้วไม่ได้มีมวลเป็นศูนย์
แต่เรากำลังพูดถึงหน่วยมวลอะตอม
ถ้าโปรตอนเป็น 1 อิเล็กตรอนจะเป็น 1/1,836 ของค่านั้น
เราจึงปัดมันทิ้ง
เราบอกว่ามันมีมวลเป็น 0
มวลของมันจริงๆ แล้วไม่ใช่ 0
และประจุของมันเป็นลบ 1
เลขอะตอม คุณบอกว่าเลข
อะตอมเป็นลบ 1 ก็ได้
มันปล่อยอิเล็กตรอน
และเมื่อปล่อยอิเล็กตรอน แทนที่จะเป็นนิวตรอน ตอนนี้
มันเปลี่ยนเป็นโปรตอนแล้ว
และนี่เรียกว่าการสลายตัวบีต้า
และอนุภาคบีต้าจริงๆ แล้วก็แค่อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา
ลองกลับไปดูธาตุของเรากัน
มันมีโปรตอนจำนวนหนึ่ง และมันมี
นิวตรอนจำนวนหนึ่ง
คุณมีโปรตอนกับนิวตรอน แล้วคุณได้
เลขมวลของคุณมา
เมื่อมันผ่านการสลายตัวบีต้า จะเกิดอะไรขึ้น?
โปรตอนเปลี่ยนไปไหม?
แน่นอน เรามีโปรตอนมากกว่าแต่ก่อนอยู่ 1 ตัว
เพราะนิวตรอนเปลี่ยนไปเป็นโปรตอน 1 ตัว
โปรตอนของเราจึงกลายเป็นบวก 1
เลขมวลเปลี่ยนไปหรือไม่?
ลองดูกัน
นิวตรอนลดลงไป 1 แต่
โปรตอนเพิ่มขึ้น 1
เลขมวลจึงไม่เปลี่ยนไป
มันจะเท่ากับ p บวก N
มวลของเรายังเท่าเดิม ไม่เหมือนกับ
การสลายตัวอัลฟา แต่ธาตุของคุณเปลี่ยนไป
จำนวนโปรตอนของคุณเปลี่ยนไป
ทีนี้ เหมือนเดิม คุณจะได้ธาตุใหม่จาก
การสลายตัวบีต้า
ทีนี้ สมมุติว่าเรามีอีกกรณีหนึ่ง
สมมุติว่าเรามีกรณีที่โปรตอนตัวหนึ่งในนี้
มองดูนิวตรอน แล้วบอกว่า รู้ไหม?
ฉันเห็นนิวตรอนใช้ชีวิตยังไง
มันโดนใจฉันมาก
ฉันว่าฉันจะรู้สึกเข้ากลุ่มดีกว่านี้ ในสังคมอนุภาค
ในนิวเคลียสนั้น มันจะดีกว่าถ้าฉัน
เป็นนิวตรอนด้วย
เราจะอยู่ในสถานการณ์ที่เสถียรกว่านี้
สิ่งที่พวกมันทำคือ โปรตอนที่ค่อนข้างอึดอัดนี้
มีโอกาสจะปล่อย -- และตอนนี้นี่คือ
แนวคิดใหม่สำหรับคุณ -- โพสิตรอน ไม่ใช่โปรตอน
มันปล่อยโพสิตรอนออกมา
แล้วโพสิตรอนคืออะไร?
มันคืออนุภาคที่
มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอนพอดี
มันมีมวล 1/1836 เท่าของโปรตอน
แต่เราใส่ 0 ตรงนี้เพราะในหน่วยมวลอะตอม
มันใกล้ 0 มาก
แต่มันมีประจุบวก
และมันน่าสับสนเล็กน้อย เพราะเขายังเขียน
e ตรงนี้
เมื่อใดก็ตามที่ผมเห็น e ผมจะคิดถึงอิเล็กตรอน
แต่ไม่ เขาบอกว่า e เพราะมันเป็นอนุภาค
ประเภทเดียวกัน แต่แทนที่จะมีประจุลบ
มันมีประจุบวก
นี่คือโพสิตรอน
และตอนนี้ เราเริ่มเจออนุภาค
และสิ่งต่างๆ ที่พิเศษขึ้นแล้ว
แต่มันเกิดขึ้นจริง
และถ้าคุณมีโปรตอนที่ปล่อยอนุภาคนี้
มันมีประจุบวกไปกับมันด้วย
โปรตอนนี้กลายเป็นนิวตรอน
และนั่นเรียกว่าการปล่อยโพสิตรอน
การปล่อยโพสิตรอนนั้นจำง่าย
เพราะเขาเรียกมันว่าการปล่อยโพสิตรอน
ถ้าเราเริ่มต้นด้วย E เดิม มันมีจำนวน
โปรตอนค่าหนึ่ง และนิวตรอนค่าหนึ่ง
แล้วธาตุใหม่จะเป็นอย่างไร?
มันจะเสียโปรตอนไปเป็น p ลบ 1
และมันจะกลายเป็นนิวตรอน
p จะลดลงไป 1
N จะเพิ่มขึ้น 1
มวลของอะตอมทั้งหมดจะไม่เปลี่ยนไป
มันจะเท่ากับ p บวก N
แต่เรายังได้ธาตุคนละตัว จริงไหม?
เวลาเรามีการสลายตัวบีต้า เราเพิ่ม
จำนวนโปรตอน
เราขยับไปทางขวาของตารางธาตุ
หรือเราเพิ่ม อืม คุณคงเข้าใจ
เมื่อเรามีการปล่อยโพสิตรอน เราลด
จำนวนโปรตอนลง
และที่จริงผมควรเขียนมันตรงนี้
ในปฏิกิริยาทั้งคู่นี้
นี่คือการปล่อยโพสิตรอน และผมเหลือ
โพสิตรอนหนึ่งตัว
และในการสลายตัวบีต้า ผมเลือกแค่อิเล็กตรอนหนึ่งตัว
มันเขียนเหมือนกันเลย
คุณรู้ว่านี่คืออิเล็กตรอนเพราะมันมีประจุลบ 1
คุณรู้ว่านี่คือโพสิตรอนเพราะมัน
มีประจุบวก 1
ทีนี้ มันมีการสลายตัวประเภทสุดท้ายที่
คุณควรรู้จัก
และมันไม่เปลี่ยนจำนวนโปรตอนหรือนิวตรอน
ในนิวเคลียส
แต่มันปล่อยพลังงานมหาศาล หรือบางครั้งเรียกว่า
โฟตอนพลังงานสูงก็ได้
และมันเรียกว่าการสลายตัวแกมมา
และการสลายตัวแกมมาหมายความว่า ธาตุเหล่านี้เรียงตัวกันเองใหม่
บางที มันอาจใกล้กันมากขึ้น
และเมื่อทำเช่นนั้น มันจะปล่อยพลังงานในรูป
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก
ซึ่งก็คือแกมมา คุณเรียกมันว่า
อนุภาคหรือรังสีแกมมา
และมันมีพลังงานสูงมาก
รังสีแกมมาคือสิ่งที่คุณไม่อยากเข้าใกล้
มันมีโอกาสฆ่าคุณได้
ทุกอย่างที่เราทำ ที่ผมบอก ค่อนข้างเป็นเรื่องทางทฤษฎี
ลองทำโจทย์จริงๆ ลองหาว่า
เรากำลังยุ่งกับการสลายตัวแบบใดกัน
ตรงนี้เรามีแบริเลียม-7 โดย 7
คือมวลอะตอมของมัน
และผมได้ว่า มันเปลี่ยนเป็นลิเธียม-7
เกิดอะไรขึ้นตรงนี้?
แบริเลียม มวลนิวเคลียร์เท่าเดิม แต่ผม
จะเปลี่ยนโปรตอน 4 ตัวเป็นโปรตอน 3 ตัว
ผมกำลังลดจำนวนโปรตอน
มวลโดยรวมของผมไม่เปลี่ยนไป
มันจึงไม่ใช่การสลายตัวอัลฟาแน่นอน
การสลายตัวอัลฟา คุณก็รู้ คุณจะปล่อย
ฮีเลียมทั้งตัวจากนิวเคลียส
แล้วผมกำลังปล่อยอะไร?
ผมกำลังปล่อยประจุบวกหนึ่งตัว หรือผม
ปล่อยโพสิตรอน
และที่จริง ผมมีอันนี้ในสมการนี้
นี่คือโพสิตรอน
ประเภทการสลายตัว จากแบริเลียม-7 เป็นลิเธียม-7 ก็คือ
การปล่อยโพสิตรอน
ใช้ได้
ทีนี้ลองดูอันต่อไปบ้าง
เรามียูเรเนียม-238 สลายตัวเป็นธอเรียม-234
และเราเห็นว่ามวลอะตอมลดลง 4 ลบ
4 แล้วเลขอะตอมลดลง หรือ
โปรตอนของคุณลดลงไป 2
คุณต้องปล่อย สิ่งที่มี
มวลอะตอมเป็น 4 และเลขอะตอม
เป็น 2 หรือก็คือฮีเลียม
นี่จึงเป็นการสลายตัวอัลฟา
อันนี้ตรงนี้จึงเป็นอนุภาคอัลฟา
และนี่คือตัวอย่างการสลายตัวอัลฟา
ทีนี้ คุณอาจบอกว่า เฮ้ ซาล มันมีเรื่องแปลก
เกิดขึ้นตรงนี้
เนื่องจากฉันไปจากโปรตอน 92 ตัวเป็น 90 ตัว
ฉันยังมีอิเล็กตรอน 92 ตัวข้างนอกนั่น
ทำไมตอนนี้ฉันจึงไม่มีประจุลบ 2 ล่ะ?
ยิ่งกว่านั้น ฮีเลียมที่ฉันกำลังปล่อยไป มันไม่มี
อิเล็กตรอนอยู่เลย
มันก็แค่นิวเคลียสฮีเลียม
มันไม่ได้มีประจุบวก 2 เหรอ?
ถ้าคุณพูดอย่างนั้น คุณก็พูดถูกแล้ว
แต่ความจริงคือวา เมื่อการสลายตัวเช่นนี้เกิดขึ้น
ธอเรียม มันไม่มีสาเหตุที่จะดึงอิเล็กตรอนสองตัวนั้น
ไว้ อิเล็กตรอนสองตัวนั้นจึงจากไปและ
ธอเรียมกลายเป็นกลางเหมือนเดิม
และฮีเลียมก็รวดเร็วมากเช่นกัน
มันอยากได้อิเล็กตรอนสองตัวเพื่อให้มันเสถียร
มันจึงจับอิเล็กตรอนสองตัวที่มันได้
เจอ แล้วมันก็เสถียร
คุณจึงเขียนแบบไหนก็ได้
ทีนี้ ลองทำอีกสมการกัน
ตรงนี้ผมมีไอโอดีน
ลองดูกันว่าเกิดอะไรขึ้น
มวลของผมไม่เปลี่ยน
ผมจึงต้องมีโปรตอนเปลี่ยนเป็นนิวตรอน
หรือนิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน
และผมเห็นตรงนี้ว่าผมมีโปรตอน 53 ตัวและ
ตอนนี้ผมมีโปรตอน 54 ตัว
นิวตรอนจึงต้องเปลี่ยนเป็นโปรตอน
นิวตรอนต้องกลายเป็นโปรตอน
และวิธีที่นิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน
คือการปล่อยอิเล็กตรอน
และเราเห็นมันในปฏิกิริยานี่ตรงนี้
อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมา
และนี่คือการสลายตัวบีต้า
นี่คืออนุภาคบีต้า
และเหตุผลนั้นเป็นจริง
คุณอาจจะบอกว่า เฮ้ เดี๋ยวนะ ฉันเปลี่ยนจาก โปรตอน 53 เป็น 54 ตัว
ตอนนี้ฉันมีโปรตอนเกินมา ฉัน
ไม่ต้องมีประจุบวกตรงนี้เหรอ?
คุณจะมีก็ได้
แต่มันอาจ -- อาจไม่ได้อิเล็กตรอน
เท่านี้พอดี มันมีอิเล็กตรออยู่ข้างนอกมากมาย --
มันจะจับอิเล็กตรอนจากสักแห่งเพื่อให้มันเสถียร
แล้วมันจะเสถียรอีกครั้ง
แต่คุณคิดถูกแล้วว่า มันจะ
ไม่ใช่ไอออนเป็นเวลาสั้นๆ เหรอ?
ลองทำอีกกัน
เรามี เรดอน-222 -- มันมีเลขอะตอมเป็น 86 --
กลายเป็นโพโลเนียม-218 ที่มีเลขอะตอม 84
และนี่คือข้อมูลเสริมที่น่าสนใจ
โพโลเนียมตั้งชื่อจากโปแลนด์ เพราะมารี คูรี
เธอ -- ในเวลานั้น โปแลนด์ นี่คือตอน
ปลายศตรวรรษ แถวๆ ปลาศตวรรษปี 1800 โปแลนด์ไม่ได้
เป็นประเทศที่แยกออกมา
มันถูกแบ่งเป็นของปรัสเซีย รัสเซีย และออสเตรีย
แล้วเขาอยากให้คนรู้ว่า เฮ้
รู้ไหม เราคิดว่าเราเป็นกลุ่มคน
เขาค้นพบว่า เมื่อเรดอนสลายตัว มัน
เกิดธาตุนี้ขึ้นมา
และเขาตั้งชื่อมันตามบ้านเกิด คือประเทศโปแลนด์
นั่นคือสิทธิพิเศษของการค้นพบธาตุใหม่
แต่ช่างเถอะ กลับมาที่ปัญหากัน
เกิดอะไรขึ้น?
มวลอะตอมของเราลดลง 4
เลขอะตอมลดลง 2
เหมือนเดิม เราต้องปล่อยอนุภาคฮีเลียม
นิวเคลียสฮีเลียม สิ่งที่มีมวลอะตอม
เป็น 4 และเลขอะตอมเป็น 2
แล้วเราก็จบแล้ว
นี่คือการสลายตัวอัลฟา
เราเขียนอันนี้เป็นนิวเคลียสฮีเลียมได้
มันไม่มีอิเล็กตรอน
เราบอกได้ทันทีว่าตัวนี้
มีประจุลบ แต่มันจะหายไป