Druhy radioaktivních rozpadů. Alfa, beta, gama rozpad a pozitronová emise.

Vše, čím jsme se doteď zabývali v průběhu povídání o chemii, se týkalo stability elektronů a jakou pozici elektrony ve slupkách upřednostňují. A jako všechno v životě, pokud zkoumáme atom, nakonec si uvědomíme, že tyto elektrony nejsou jedinou podstatnou věcí v atomu. Také samotná jádra mají určité interakce, nebo nestabilitu, kterou je potřeba nějakým způsobem uvolnit. A právě o tom si dnes budeme povídat v tomto videu. Ve skutečnosti je to záležitost pokročilé chemie, ale určitě je dobré vědět, že takové věci existují. A jednoho dne, až budeme zkoumat silnou jadernou interakci a kvantovou fyziku a podobné věci, poté se budeme moci začít bavit o tom, proč právě tyto protony a neutrony, které se skládají z kvarků, interagují tak jak interagují. Pojďme se nejprve podívat na různé typy základních nukleárních rozpadů. Vezměme si několik protonů. Pár jich tady namaluji. Několik protonu tady a teď nějaké neutrony. A namaluji je v neutrální barvě. Možná, že šedá je tak akorát. Takže tady namaluju ty neutrony. Kolik protonu tu mámě? Máme 1,2,3,4,5,6,7,8 Tak udělám 1,2,3,4,5,6,7,8,9 neutronů. Tohle je tedy jádro našeho atomu. A pamatujte - a toto je, víte, úplně první video, které jsem udělal o atomu - jádro, pokud byste chtěli nakreslit celý atom - a je to ve skutečnosti dost těžké nakreslit celý atom, protože nemá přesně definované hranice. Poloha elektronu je neurčitá, tedy může být kdekoliv. A vy můžete namítnout, jasný, ale kde je ta 90% pravděpodobnost, se kterou se elektron vyskytuje v daném prostoru? Mohli byste říct, že je to poloměr, nebo průměr našeho atomu. V jednom z prvních videí jsme se naučili, že jádro je téměř nekonečně malým zlomkem z celkového objemu celého atomu, kde pravděpodobnost nalezení elektronu je 90 %. A to, co jste si z toho měli odnést, byl fakt, že vše v našem životě je jen prázdný prostor. Všechno tohle je jen prázdný prostor. Jen jsem tohle chtěl zopakovat, protože tento nekonečně malý bod, o kterém jsme se již bavili, kde, i přestože je to jen malý zlomek objemu atomu, je soustředěna téměř většina hmotnosti, a proto to teď zdůrazňuji. Toto nejsou atomy, ani elektrony. Zaměřujeme se na jádra. A ukazuje se, že někdy jsou jádra trochu nestabilní a chtěli by získat více stabilnější konfiguraci. Nebudeme se zabývat přesným mechanismem, který definuje nestabilní jádra a podobné věci. Ale za účelem získání nestabilního jádra je někdy emitována tzv. alfa částice, nebo to můžeme nazvat alfa rozpad. Alfa rozpad. A je uvolněna alfa částice, což zní hodně dobře. Je to však jen shluk neutronů a protonů. Tedy alfa částice obsahuje 2 neutrony a dva protony. Takže možná se tihle necítili, že by tam mohli patřit, takže vezměme právě tuto skupinu. A ti budou emitováni. Opustí jádro. Pojďme přemýšlet, co se stane atomu, když se něco takového stane. Řekněme, že mám několik náhodných částic, kterým budu říkat prvek E. Řekněme, že má p protonů. Vlastně je udělám v barvě mých protonů. Má p protonů. A poté zapíšeme atomovou hmotnost, což je počet protonů a počet neutronů. A neutrony jsem kreslil šedivé, že? Takže pokud projde alfa rozpadem, co se stane s prvkem? Inu, jeho protonové číslo se sníží o dva. Takže počet protonů bude p - 2. A počet neutronů se také sníží o dva. Tedy atomová hmotnost se sníží o čtyři. Máme tady p - 2 a naše neutrony -2, dohromady -4. Hmotnost je tedy snížena o 4, a tudíž vznikl nový prvek. Nezapomeňte, prvky jsou definovýny počtem protonů. Takže v alfa rozpadu, kdy ztrácíme 2 protony a 2 neutrony vytváříme úplně nový prvek. Pokud nazveme tento prvek 1, tak mu budu teď říkat, dostaneme se teď na jiný prvek, prvek 2. A pokud přemýšlíte o tom, co bylo stvořeno, odloučili jsme něco, co má 2 protony a 2 neutrony. Takže jeho hmotnost je rovna hmotnosti dvou protonů a dvou neutronů. Co jsme tedy odloučili? Emitovali jsme něco, co má hmotnost 4. Takže pokud se zamyslíme, co má 2 protony a 2 neutrony? Nemám tu sice periodickou tabulku po ruce. Zapomněl jsem jí vystřihnout a vložit do tohoto videa. Ale nezabere vám to moc času v tabulce najít prvek, který má 2 protony, je to helium. To má atomové číslo rovné čtyřem. Takže ve skutečnosti je to heliové jádro, které je emitováno alfa rozpadem. Toto je vlastně heliové jádro. A protože je to jádro helia a nemá žádné elektrony, které by narážely a dva protony, bude to heliový ion. Takže v podstatě nemá žádné elektrony. Má 2 protony, proto má náboj +2. Alfa částice je tedy opravdu jen heliový ion s nábojem +2, který je spontánně emitován jiným jádrem, které chce být stabilnější. Tohle je jeden typ rozpadu. Pojďme se podívat na další. Namaluji tu další jádro. Namaluji několik neutronů. Namaluji několik protonů. . Někdy se ukazuje, že neutrony nejsou se sebou spokojeni. Dívají se na protony a říkají si, víš ty co? Z nějakého důvodu, kdy se podívám do svého srdce, cítím že bych měl být proton. Kdybych byl proton, celé jádro by bylo trochu více stabilní. A co udělá, aby se stal protonem - nezapomeňte, že neutron nemá žádný náboj. Takže co udělá je, že emituje elektron. A já vím, co teď řeknete, Sale, víš, to je šílené, neutrony přece nemají elektrony, a tak je to správně. Souhlasím s vámi. Je to šílené. A jednoho dne budeme studovat vše, co existuje uvnitř jádra. Ale pojďme předstírat, že dokáže emitovat elektron. Takže emituje elektron. Emituje elektron. A zdůrazníme, že jeho hmotnost je téměř nulová. Víme, že elektrony ve skutečnosti nemají nulovou hmotnost, ale mluvíme o atomové hmotnosti. Pokud proton má jedničku, elektron má 1/1 836 z toho. Takže to prostě zaokrouhlíme. Řekneme, že má nulovou hmotnost. Přičemž jeho hmotnost není úplně nulová. A jeho náboj je -1. Můžeme tedy říct, že jeho atomové číslo je -1. Takže emitujeme elektron. A emitováním elektronu, se z neutronu stane proton. Stane se protonem. A tomuhle se říká beta rozpad. Beta rozpad. A beta částice je opravdu jen emitovaný elektron. Pojďme se teď vrátit k našemu prvku. Má určitý počet protonů a také má určitý počet neutronů. Takže máme protony a neutrony, potom také atomovou hmotnost. Co se stane po beta rozpadu? Změní se počet protonů? Určitě, máme o jeden proton víc než předtím. Protože se v něj změnil jeden z neutronů. Takže protonové číslo je +1. Změnila se naše atomová hmotnost? Pojďme se podívat. Počet neutronů klesl o jedno, ale počet protonů o jeden vzrostl. Takže hmotnostní číslo se nezměnilo. Takže je to stále p + n. Takže na rozdíl od alfa rozpadu se hmotnostní situace nezmění, prvek se však zase změní. Protože se změnil počet protonů. Takže ještě jednou, máme tu nový prvek po beta rozpadu. Řekněme, že máme jinou situaci. Řekněme, že jeden z těchto protonů se podívá na neutron a řekne si, víš ty co? Vidím, jak žijí. A je to velmi atraktivní. Myslím, že by bylo lepší pro naší partu částic v jádře, kdybych byl taky neutron. Všichni bychom měli stabilnější podmínky. Takže co se stane. Malý nespokojený proton má určitou možnost emitování - a tohle je pro vás nová částice - pozitron, ne proton. Emituje pozitron. A co to je pozitron? Je to něco, co má úplně stejnou hmotnost jako elektron. Takže je to 1/1836 hmotnosti protonu. Ale právě tu píšu nulu, protože je tato hmotnost téměř nulová. Ale má kladný náboj. A je to trochu matoucí, protože se stále píše jako "e" Vždy, když vidím "e", představím si elektron. Ale ne, říká se mu též "e", protože jde o stejný typ částice, jen místo záporného náboje má kladný. Takže to je pozitron. To je pozitron. A teď se začínáme setkávat se zvláštními typy částic a věcí s tím spojenými. Ale tohle se opravdu děje. A pokud máte proton, který emituje částici, která si s sebou vezme jeho kladný náboj, z tohoto protonu se stane neutron. Říká se tomu pozitronová emise. Pozitronová emise je obvykle celkem zřejmá již podle názvu - pozitronová emise. Takže pokud začneme s prvkem E, který má určitý počet protonů a určitý počet neutronů. Co bude tím novým prvkem? Inu, ztratí se proton, tedy p minus 1 a přemění se na neutron. Takže p se o jedno sníží. N se o jedno zvýší. Takže hmotnostní číslo prvku se nezmění. Takže pořád je to p plus N. Ale stane se z něj jiný prvek, je to tak? Při beta rozpadu se zvýší počet protonů. Takže se v periodické tabulce pohybujeme doprava, protože zvyšujeme, no, asi už to chápete. Pokud máme pozitronovou emisi, snižujeme počet protonů. A měl bych to napsat v obou těchto reakcích. Takže tohle je pozitronová emise a zbytek s jedním pozitronem. A v beta rozpadu je zbytek s jedním elektronem. Jsou napsány úplně stejným způsobem. Ale elektron má náboj -1. A pozitron poznáme, protože má náboj +1. A teď poslední typ rozpadu, který byste měli znát. Tento typ nemění ani počet protonu ani počet neutronů v jádře. Pouze je uvolněna spousta energie, nebo někdy, vysoko-energetický proton. Tomu se říká gama rozpad. A gama rozpad znamená, že tihle se sami přeskupí. Možná, že se trochu přiblíží. A tím uvolní energii ve formě elektromagnetické vlny s velkou vlnovou délkou. To je ve skutečnosti gama, nebo také gama částice nebo gama záření. A má velkou energii. Gama záření je něco, u čeho byste nechtěli být. Dokázalo by vás i zabít. Vše, co jsme dělali, bylo trochu teoretické. Pojďme se podívat na nějaké příklady a vyřešit, o jaký rozpad se jedná. Takže tady mám 7-beryllium, kde 7 je jeho atomová hmotnost. A přeměním to na 7-lithium. Takže, co se tu stalo? V mém berylliu zůstala atomová hmotnost stejná, ale přešel jsem ze 4 protonů na 3. Takže jsem snížil počet protonů. A atomová hmotnost se nezměnila. Určitě to tedy není alfa rozpad. Alfa rozpad byl, jak víte, uvolnění celého helia z původního jádra. A co jsem tedy uvolnil? Uvolnil jsem něco jako kladný náboj, tedy pozitron. A přesně to mám zde v této rovnici. To je pozitron. Tedy tento typ rozpadu ze 7-beryllia na 7-lithium je pozitronová emise. Tak to je. Pojďme se podívat na další. Máme uran-238 a rozpadá se na thorium-234. Takže vidíme, že atomová hmotnost klesla o 4, -4 a vidíme, že atomové či protonové číslo kleslo o 2. Takže to, co se uvolnilo musí být něco, co má atomovou hmotnost 4 a atomové číslo 2, což je helium. Takže se jedná o alfa rozpad. Takže tohle vpravo je alfa částice. A jedná se o příklad alfa rozpadu. A teď si možná říkáte, hej Sale, počkej, děje se tu něco divného. Protože, pokud změním počet protonů z 92 na 90, stále mám v atomu 92 elektronů. Neměl by se tedy o 2 změnit i celkový náboj? A ještě navíc, uvolněné helium nemá žádné elektrony. Je to pouze heliové jádro. Takže nemělo by mít náboj +2? A pokud si to říkáte, máte absolutní pravdu. Ale ve skutečnosti, když se děje tento rozpad, thorium nemá žádný důvod si ty dva elektrony držet, takže tyto elektrony zmizí a thorium se opět stane neutrálním. A podobně tohle helium je velmi rychlé. Opravdu chce 2 elektrony, aby získalo stabilitu, a tak si velmi rychle vezme právě tyto 2 elektrony, nebo kterékoli jiné a stane se zase stabilním. Takže to můžeme takto zapsat. Pojďme zkusit jiný příklad. Tady mám jód. . Pojďme se podívat, co se tady děje. Hmotnost se nemění. Takže musím přeměnit protony na neutrony nebo neutrony na protony. A tady vidím, že mám 53 protonů a teď mám 54 protonů. Takže se neutron musí přeměnit na proton. Neutron se musí vyměnit na proton. A způsob, jak se neutron může změnit na proton je uvolnění elektronu. A vidíme, že to je přesně tato reakce. Elektron byl uvolněn. Je to tedy beta rozpad. A tohle je beta částice. Beta. Tohle je beta rozpad. A zůstává stejné pravidlo. Můžete říct, hej počkej, právě jsem šel z 53 na 54 protonů. Když mám proton navíc, nebude tu kladný náboj? Ano, byl by. Ale velmi rychle - možná, že to nebudou přesně tyto elektrony, kolem je mnoho elektronů, ale rychle si odněkud ukořistí elektrony, aby byl stabilní, a stane se zase stabilním. Ale máte pravdu, pokud si říkáte, nebude to na velmi krátký čas ion? Udělejme ještě jeden. Máme 222-radon s atomovým číslem 86, který přejde na 218-poloniu s atomovým číslem 84. A tohle je velmi zajímavé. Polonium je pojmenováno podle Polska, protože Marie Curie - v těchto časech bylo Polsko na přelomu posledního století, někdy na konci 19. století ještě Polsko neexistovalo jako samostatná země. Bylo rozděleno mezi Prusko, Rusko a Rakousko. A oni chtěl, aby lidé věděli, že patří k sobě. A tak toto objevili, když se radon rozložil a vytvořil tento prvek. A pojmenovali ho po své rodné zemi, po Polsku. To je privilegium, pokud objevíte nový prvek. Nicméně, zpět k příkladu. Co se tu stalo? Naše atomová hmotnost se snížila o 4. A atomové číslo se snížilo o 2. Naposledy tedy, musí být uvolněno helium. Jádro helia, něco, co má atomovou hmotnost 4 a atomové číslo 2. To bychom měli. Je to alfa rozpad. Můžeme toto napsat jako jádro helia. A nemá žádné elektrony. Ale můžeme říct, že toto má záporný náboj, ale ten rychle ztratí.