SAL: Mọi thứ chúng ta đã đề cập cho đến
nay trong
hành trình tìm hiểu về hóa học đều xoay
quanh sự ổn định của
electron và vị trí electron thích hợp nhất
trong các lớp electron bền vững
Giống như tất cả mọi thứ trong cuộc sống,
nếu bạn khám phá nguyên tử
sâu hơn một chút, bạn sẽ nhận ra rằng
electron không phải
là thứ duy nhất diễn ra trong một nguyên
tử
Bản thân hạt nhân cũng có những tương tác
hoặc có một số
trạng thái không bền vững, cần được giải
phóng theo cách nào đó
Đó là những gì chúng ta sẽ nói
trong video này
Thực ra cơ chế của quá trình này vượt xa
phạm vi
của một khóa học hóa học năm nhất, nhưng
ít nhất thì
biết rằng nó diễn ra cũng là
điều cần thiết
Rồi sẽ có một ngày khi chúng ta học về lực
hạt nhân mạnh
vật lý lượng tử và các lĩnh vực tương tự,
chúng ta có thể bắt đầu
giải thích chính xác về lý do tại sao các
proton, neutron
và các quark cấu thành nên chúng lại tương
tác
theo cách chúng đang làm
Nhưng như đã nói, ít nhất chúng ta hãy
nghĩ về
các kiểu phân rã chính của hạt nhân
Vậy giả sử tôi có một số proton
Tôi sẽ chỉ vẽ một vài hạt ở đây
Một số proton ở đó, và tôi sẽ vẽ một số
neutron
Và tôi sẽ vẽ chúng bằng một màu trung tính
Có lẽ màu xám sẽ phù hợp
Để tôi vẽ một số neutron ở đây
Vậy tôi có bao nhiêu proton?
Tôi có 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
Tôi sẽ vẽ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
neutron
Hãy gọi đây là hạt nhân của nguyên tử của
chúng ta
điều này đã được đề cập đến trong video
đầu tiên tôi tạo về nguyên tử-- hạt nhân
nếu bạn thực sự
muốn vẽ một nguyên tử thực sự-- và thực
sự rất khó để
vẽ một nguyên tử vì nó không có ranh giới
rõ ràng
Electron thực sự có thể ở bất kỳ thời điểm
nào
nó có thể ở bất cứ đâu
Nhưng nếu bạn hỏi, vậy 90% thời gian
electron sẽ ở đâu
Bạn sẽ nói, đó là bán kính, hoặc
đường kính của nguyên tử
Trong video đầu tiên, chúng ta đã học rằng
hạt nhân chỉ
chiếm một phần cực nhỏ bé trong thể tích
của
hình cầu nơi electron sẽ xuất hiện 90%
thời gian
Điều thú vị ở đây là hầu hết
những gì chúng ta nhìn thấy trong cuộc
sống chỉ là không gian trống
Tất cả những thứ này chỉ là không gian mở
Nhưng tôi chỉ muốn nhắc lại điều đó bởi vì
điểm nhỏ xíu mà chúng ta đã nói đến trước
đó
mặc dù nó chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong
thể tích của một nguyên tử--thực ra nó gần
như là toàn bộ khối lượng của
nguyên tử-- đó là thứ tôi đang phóng to
đến điểm này.
Đây không phải là các nguyên tử, đây không
phải là các electron.
Bây giờ chúng ta đang phóng to hạt nhân
Hóa ra, đôi khi hạt nhân
không ổn định và nó muốn đạt đến trạng
thái cấu hình
ổn định hơn
Chúng ta sẽ không đi sâu vào cơ chế
chính xác
xác định hạt nhân không bền và những thứ
tương tự
Nhưng để đạt được trạng thái ổn định hơn,
đôi khi hạt nhân phát ra thứ được gọi là
hạt alpha, hoặc
quá trình này được gọi là phân rã alpha
Phân rã alpha
Và nó phát ra một hạt alpha,
nghe có vẻ rất kỳ lạ
Nó chỉ đơn giản là một tập hợp các
neutron và proton
Vì vậy, một hạt alpha bao gồm hai neutron
và hai proton
Có thể những hạt này cảm thấy chúng không
thực sự phù hợp
ở bên trong hạt nhân, vì vậy chúng tập
hợp lại ở đây
Và chúng được phát ra
Chúng rời khỏi hạt nhân
hãy cùng suy nghĩ xem điều gì sẽ xảy ra
với một nguyên tử khi
một thứ gì đó như thế xảy ra
Giả sử tôi có một nguyên tố bất kỳ, tôi sẽ
gọi
nó là nguyên tố E
Giả sử nó có p, proton
Tôi sẽ tô màu chúng theo màu của proton
Nó có p, proton
Nó có số khối nguyên tử, là tổng số
proton cộng với số neutron
Và tôi sẽ phải tô neutron màu xám, đúng
chứ?
Vậy, khi nó trải qua phân rã alpha, điều
gì
sẽ xảy ra với nguyên tố này?
Số proton của nó sẽ giảm đi 2
Vì vậy, số proton của nó sẽ bằng p trừ 2
Và số neutron của nó cũng sẽ giảm đi 2
Vì vậy, số khối của nó sẽ giảm đi 4
Ở trên bạn sẽ có p trừ 2, cộng với số
neutron trừ 2,
do đó chúng ta sẽ có trừ 4
Vậy, khối lượng của nó sẽ giảm đi 4 và nó
thực sự sẽ biến thành một nguyên tố mới
Hãy nhớ rằng, các nguyên tố được xác định
bởi
số lượng proton
Vì vậy, trong quá trình phân rã alpha, khi
bạn mất đi hai neutron và
hai proton, nhưng đặc biệt là các proton
sẽ biến
bạn thành một nguyên tố khác
nếu gọi nguyên tố này là số 1,
thì chúng ta sẽ có một nguyên tố khác,
nguyên tố số 2
Nếu bạn nghĩ về những gì được tạo ra,
chúng ta đang phát ra
một thứ gì đó có hai proton
và hai neutron
Vì vậy, khối lượng của nó sẽ bằng khối
lượng của hai proton
và hai neutron
Vậy chúng ta đang phát ra cái gì
Chúng ta đang phát ra một thứ gì đó có
khối lượng là 4
Vậy nếu bạn nhìn vào, 2 proton và 2
neutron là gì?
Thực ra tôi không nhớ bảng
tuần hoàn
Tôi quên dán nó trước video này
Nhưng bạn không cần mất nhiều thời gian
để tìm nguyên tố
có hai proton trong bảng tuần hoàn, đó
chính là heli
Nó thực sự có khối lượng nguyên tử là 4
Vì vậy, đây thực chất là hạt nhân heli
được giải phóng trong quá trình
phân rã alpha
Đây thực chất là một hạt nhân heli
Và vì nó là hạt nhân heli và không có
electron nào để cân bằng với hai proton
của nó, nên đây sẽ là một
ion heli
Về cơ bản nó không có electron
Nó có hai proton nên nó có điện tích cộng
2
Vì vậy, một hạt alpha thực sự chỉ là một
ion heli, một ion
heli tích điện dương 2 được giải phóng
tự phát bởi
hạt nhân để đạt đến trạng thái ổn định hơn
Đây là một loại phân rã
Chúng ta hãy khám phá các loại khác
Bây giờ hãy để tôi vẽ một hạt nhân khác
ở đây
Tôi sẽ vẽ một số neutron
Tôi sẽ chỉ vẽ một số proton
hóa ra đôi khi một neutron cảm thấy không
thoải mái với chính nó
Nó nhìn vào những gì các proton làm
hàng ngày và nói,
bạn biết là gì không?
Vì lý do nào đó, khi nhìn vào trái tim
mình, tôi cảm thấy mình
thực sự nên là một proton
Nếu tôi là một proton, thì toàn bộ hạt
nhân sẽ
ổn định hơn một chút
Để trở thành 1 proton, những gì nó làm là
-- hãy nhớ rằng, một
neutron có điện tích trung hòa
Những gì nó làm là phát ra một electron
Và tôi biết bạn đang nghĩ, Sal, điều đó
thật điên rồ, tôi
thậm chí còn không biết neutron có
electron bên trong,
và tất cả những thứ đó
Tôi đồng ý với bạn
Nó thật điên rồ
Một ngày nào đó chúng ta sẽ nghiên cứu
tất cả những gì tồn tại
bên trong hạt nhân
Nhưng hãy giả sử nó có thể phát ra một
electron
Vậy, nó phát ra một
electron
Và chúng tôi biểu thị nó bằng-- khối
lượng của nó gần bằng 0
Chúng ta biết một electron thực sự không
có khối lượng bằng 0, nhưng
chúng ta đang nói về đơn vị khối lượng
nguyên tử
Nếu proton là 1, thì electron là 1/1836
Chúng ta chỉ làm tròn nó
Chúng ta nói nó có khối lượng bằng 0
Khối lượng thực sự của nó không bằng 0
Và điện tích của nó là trừ 1
Nó mang tính nguyên tử, bạn có thể nói số
hiệu
nguyên tử của nó là trừ 1
Nó phát ra một electron
Bằng cách phát ra một electron, thay vì
trung hòa, bây giờ
nó biến thành một proton
Và quá trình này được gọi là phân rã beta
Hạt beta thực chất chỉ là electron được
phát ra
Hãy quay trở lại trường hợp về một phần tử
Nó có một số proton nhất định, và sau đó
là một số neutron nhất định
bạn có các proton và neutron, sau đó bạn
có được
số khối của nó
Khi nó trải qua quá trình phân rã beta,
thì điều gì xảy ra?
Vậy, các proton có bị thay đổi không?
Chắc chắn rồi, chúng ta có nhiều hơn một
proton so với trước đây
Vì một neutron đã biến thành một proton
Vì vậy, bây giờ số proton của chúng ta là
cộng 1
Số khối của chúng ta có thay đổi không?
Cùng xem nào
Số neutron giảm đi một nhưng số
proton của bạn tăng lên một
Vì vậy, số khối của bạn sẽ không thay đổi
Nó vẫn sẽ là p cộng N
khối lượng của bạn vẫn giữ nguyên, không
giống như trường hợp
phân rã alpha, nhưng nguyên tố của
bạn sẽ thay đổi
Số proton của bạn thay đổi
Một lần nữa, bạn đang đối phó với một
nguyên tố mới trong
quá trình phân rã beta
Giả sử chúng ta có một tình huống khác
Giả sử có một tình huống mà một trong
những proton này
nhìn vào các neutron và nói, bạn biết là
gì không?
Tôi thấy cách chúng tồn tại
Điều đó thật hấp dẫn đối với tôi
Tôi nghĩ mình sẽ phù hợp hơn và cộng
đồng các phân tử
bên trong hạt nhân của chúng ta sẽ hạnh
phúc hơn nếu
tôi cũng là một neutron
Tất cả chúng ta sẽ ở trong một trạng
thái ổn định hơn
Điều chúng làm là, proton nhỏ bé khó chịu
đó
có một xác suất phát ra-- đây là một
khái niệm mới đối với bạn-- một positron,
chứ không phải một proton
Nó phát ra một positron
Vậy positron là gì
Nó là một thứ có khối lượng
chính xác bằng electron
Vì vậy, nó bằng 1/1836 khối lượng của
một proton
Nhưng chúng ta chỉ viết một số 0 ở đó
vì trong đơn vị khối lượng nguyên tử
nó gần như bằng 0
Nhưng nó có điện tích dương
Và điều hơi khó hiểu là họ vẫn sẽ
viết e ở đó
Bất cứ khi nào tôi nhìn thấy ký hiệu e,
tôi nghĩ ngay đến electron
Nhưng không, họ nói e bởi vì nó giống như
cùng
một loại hạt, nhưng thay vì mang điện tích
âm
nó mang điện tích dương
Đây là một positron
Và bây giờ chúng ta bắt đầu đi vào các
loại
và vật chất kỳ lạ
Nhưng điều này thực sự xảy ra
Và nếu bạn có một proton phát ra hạt này,
mang theo hầu hết điện tích dương của nó
thì proton này sẽ biến thành một neutron
Và đó được gọi là phát xạ positron
Phát xạ positron thường khá dễ để xác định
bản
chất của nó, bởi vì họ gọi nó là phát xạ
positron
Nếu chúng ta bắt đầu với cùng một nguyên
tử E, nó có một số
proton nhất định và một số neutron nhất
định
Nguyên tố mới sẽ là gì?
Nó sẽ mất đi một proton. p trừ 1
Và nó sẽ được chuyển thành 1
neutron
Vì vậy, p sẽ giảm đi 1
N sẽ tăng lên 1
Do đó, khối lượng của toàn bộ nguyên tử sẽ
không thay đổi
Vậy thì nó sẽ bằng p cộng N
Nhưng chúng ta vẫn sẽ có một nguyên tố
khác, phải không?
Khi xảy ra phân rã beta, chúng ta làm tăng
số proton
Vì vậy, chúng ta đã đi về bên phải trong
bảng tuần hoàn hoặc
chúng ta đã tăng dần về bên phải,
bạn hiểu rồi đấy
Khi xảy ra phát xạ positron, chúng ta làm
giảm
số proton
Thực ra tôi nên viết điều đó ở đây trong
cả hai phản ứng này
Đây là phát xạ positron, và tôi còn lại
một positron
Và trong quá trình phân rã beta, tôi còn
lại một electron
Chúng được viết theo cách hoàn toàn giống
nhau
Bạn biết đây là một electron vì nó có điện
tích trừ 1
Bạn biết đây là một positron vì nó
có điện tích cộng 1
Bây giờ còn một loại phân rã cuối cùng mà
bạn nên biết
Nhưng nó không làm thay đổi số lượng
proton hoặc neutron
trong hạt nhân
nó chỉ giải phóng rất nhiều năng lượng,
hoặc đôi khi
là một proton năng lượng cao
Và đó gọi là phân rã gamma
Phân rã gamma có nghĩa là các hạt nhân này
tự sắp xếp lại
cấu trúc
Có thể chúng xích lại gần nhau hơn 1 chút
Bằng cách đó, chúng giải phóng năng
lượng dưới dạng
sóng điện từ có bước sóng rất cao
Về cơ bản đây là tia gamma, bạn có thể
gọi nó là hạt
gamma hoặc tia gamma
Và nó có năng lượng rất cao
Tia gamma là thứ bạn không muốn tiếp xúc
Chúng có khả năng gây chết người rất cao
Mọi thứ chúng ta đã thảo luận cho đến nay
chỉ mang tính lý thuyết
Bây giờ, hãy giải một số bài toán thực tế
và xác định xem chúng ta
đang đối mặt với loại phóng xạ nào
Ở đây tôi có Berili-7, với 7
là khối lượng nguyên tử của nó
Và nó đang được chuyển đổi thành Liti-7.
Vậy
chuyện gì đang xảy ra
Berili của tôi, khối lượng hạt nhân vẫn
giữ nguyên, nhưng
số proton giảm từ bốn xuống còn ba
Vì vậy, tôi đang giảm số proton
Tổng khối lượng của tôi không thay đổi
Vì vậy, đây chắc chắn không phải là phân
rã alpha
Phân rã alpha là giải phóng toàn bộ 1
hạt heli ra khỏi hạt nhân
Vậy tôi đang giải phóng thứ gì?
Tôi đang giải phóng một điện tích dương,
hoặc tôi
đang giải phóng một positron
Trên thực tế, tôi có cái này trong phương
trình này
Đây là một positron
Vì vậy, loại phân rã của Berili-7 thành
Liti-7 này là
phát xạ positron
Nghe hợp lý
Bây giờ chúng ta hãy xem xét phân rã tiếp
theo
Chúng ta có urani-238 phân rã thành
thori-234
Ta thấy khối lượng nguyên tử giảm 4, trừ
4, và số hiệu nguyên tử giảm, hay
số proton giảm đi 2
Vì vậy, về bản chất, bạn phải giải phóng
một thứ gì đó
có khối lượng nguyên tử là 4, và số hiệu
nguyên tử
là 2, hoặc heli
Như vậy đây là phân rã alpha
Vậy đây chính là một hạt alpha
Và đây là một ví dụ về phân rã alpha
Bây giờ có lẽ bạn đang nói, này Sal,
đợi đã, có điều gì đó kỳ lạ
đang xảy ra ở đây
Bởi vì nếu tôi chỉ chuyển từ 92 proton
sang 90 proton, tôi vẫn
có 92 electron ở bên ngoài
Vậy tôi sẽ không có điện tích âm 2 sao?
Thậm chí còn tốt hơn, heli tôi giải phóng
ra, nó không có
bất kỳ electron nào đi kèm
Nó chỉ là hạt nhân heli
Vậy nó không có điện tích dương 2 sao?
Và nếu bạn nói vậy, thì bạn hoàn toàn
chính xác
Nhưng thực tế là ngay khi quá trình phân
rã này xảy ra
thori không có lý do gì để giữ lại hai
electron đó, vì vậy hai electron đó biến
mất và
thori trở lại trạng thái trung hòa
Với heli, tương tự, cũng diễn ra rất nhanh
Nó thực sự cần hai electron để ổn định,
vì vậy nó
nhanh chóng lấy hai electron từ bất cứ
nơi nào nó va chạm
vào và do đó trở nên ổn định
Vậy nên bạn có thể viết theo hai cách
Bây giờ hãy làm thêm một ví dụ nữa
Tôi có đây là iốt
Hãy xem điều gì sẽ xảy ra
Khối lượng không thay đổi
Vậy nên, chắc chắn phải có proton biến
thành neutron hoặc
neutron biến thành proton
Tôi thấy ở đây tôi có 53 proton, và
bây giờ tôi có 54 proton
Vậy nên một neutron chắc chắn đã biến
thành một proton
Một neutron đã biến thành một proton
Cách mà một neutron biến thành một proton
là
giải phóng một electron
Chúng ta có thể thấy điều đó trong phản
ứng này
Một electron đã được giải phóng
Đây là quá trình phân rã beta
Đây là một hạt beta
Và logic tương tự cũng được áp dụng
Chờ đã, tôi vừa tăng từ 53 lên 54 proton
Bây giờ tôi có thêm proton này, liệu tôi
sẽ có 1
điện tích dương ở đây phải không
Đúng vậy
Nhưng rất nhanh điều này có thể xảy ra--
có thể sẽ không nhận được chính xác
những electron này, có rất nhiều electron
chạy xung quanh-- nhưng
nó sẽ lấy một số electron từ một nơi nào
đó để ổn định
và sau đó nó sẽ ổn định trở lại
Nhưng bạn hoàn toàn đúng khi nghĩ, chẳng
phải nó sẽ là
ion trong một khoảng thời gian ngắn sao?
Bây giờ hãy làm thêm 1 ví dụ nữa
chúng ta có radon-222, với số hiệu nguyên
tử là 86
biến thành poloni-218, với số hiệu nguyên
tử là 84
Và đây thực sự là một điều thú vị
Poloni được đặt theo tên Ba Lan, bởi vì
Marie Curie,
Vào thời điểm đó, Ba Lan, đây là vào đầu
thế kỷ trước
khoảng cuối những năm 1800, Ba Lan không
tồn tại
như một quốc gia riêng biệt
Nó bị chia cắt giữa Phổ, Nga và Áo
Và họ thực sự muốn mọi người biết rằng,
chúng ta nghĩ chúng ta là một dân tộc
Vì vậy, họ đã phát hiện ra rằng khi radon
phân rã
nó tạo thành nguyên tố này
Và họ đặt tên nó theo quê hương của họ,
theo Ba Lan
Đó là đặc quyền của những người khám phá
ra các nguyên tố mới
Dù sao thì hãy quay lại với bài toán
Vậy chuyện gì đã xảy ra
Khối lượng nguyên tử của chúng ta đã giảm
đi 4
Số proton của chúng ta giảm đi 2
Một lần nữa, chúng ta có thể đã giải phóng
một hạt alpha
Hạt nhân heli, thứ có khối lượng nguyên tử
là
4 và số proton là 2
Và đó chính là điều đã xảy ra
Đây là quá trình phân rã alpha
Chúng ta có thể viết nó như là một hạt
nhân heli
Vậy nên nó không có electron
Thậm chí chúng ta có thể nói ngay rằng nó
sẽ mang
điện tích âm, nhưng sau đó nó lại mất
đi điện tích