Alfa sabrukšana
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
Alpha decay
Transkripts:
00:00
- [Instruktors] Kāpēc mūsu periodiskā tabula nav bezgalīga?
00:03
Kāpēc mums, piemēram, nav elementu ar 300 protoniem,
00:06
vai, teiksim, ar 1000 protoniem?
00:07
Īsā atbilde ir – jo smagāki ir elementi,
00:10
jo nestabilāki tie kļūst.
00:11
Piemēram, elementiem, kuru atomnumurs ir lielāks par 83,
00:16
nav neviena stabila izotopa.
00:19
Visi to izotopi ir radioaktīvie izotopi,
00:21
kas nozīmē, ka agri vai vēlu tie sabruks.
00:23
Un, ja apsver vēl smagākus elementus,
00:25
tie sabruks gandrīz acumirklī,
00:27
un nav nekādas iespējas, ka tie dabā pastāv.
00:30
Bet kāpēc tie vispār ir nestabili
00:32
un kā tie sabrūk?
00:34
Un kā mēs to izmantojam, lai radītu dūmu detektorus?
00:38
Uzzināsim.
00:40
Sāksim ar jautājumu,
00:41
kāpēc smagi kodoli vispār kļūst nestabili?
00:44
Atbilde ir tāda,
00:45
ka šeit darbojas divi dabas spēki,
00:48
kas ir vērsti viens pret otru.
00:50
Pirmais ir labi pazīstamā Kulona atgrūšanās,
00:54
elektriskais spēks.
00:55
Visi pozitīvie protoni atgrūžas viens no otra.
00:57
Tas mēģina sašķelt kodolu.
01:00
Bet kas tad notur kodolu kopā?
01:02
Vispār?
01:03
Izrādās, ka pastāv vēl spēcīgāks spēks,
01:06
stiprie kodolspēki.
01:07
Un šis spēks ir pievilkšanās spēks,
01:09
un tas ir tas, kas notur kodolu kopā.
01:11
Un tas notiek tādēļ, ka stiprajiem kodolspēkiem ir
01:14
divas priekšrocības salīdzinājumā ar elektrisko spēku.
01:16
Pirmā ir tā, ka tas ir spēcīgākais spēks dabā.
01:19
Tas ir apbrīnojami, bet ir vēl viena.
01:21
Redzi, Kulona atgrūšanās,
01:23
elektriskā atgrūšanās ir tikai starp protoniem,
01:25
jo tā darbojas tikai starp lādētām daļiņām.
01:26
Neitroni tajā nepiedalās, vai ne?
01:28
Tomēr, kad runa ir par stiprajiem kodolspēkiem,
01:31
tajos piedalās gan protoni, gan neitroni.
01:33
Tātad tie visi ir iesaistīti stiprajā kodolu pievilkšanās spēkā.
01:36
Tāpēc dabā pastāv daudz stabilu kodolu,
01:39
jo stiprā kodolu pievilkšanās vienkārši pārspēj
01:43
elektrisko atgrūšanos jeb Kulona atgrūšanos.
01:46
Bet, salīdzinot ar elektrisko spēku,
01:48
stiprajai kodolu pievilkšanai ir viens trūkums.
01:52
Proti, tas ir tuvdarbības spēks.
01:56
Ko tas nozīmē?
01:57
Ja koncentrējas, teiksim, uz vienu protonu,
01:59
tad to atgrūž
02:01
visi pārējie protoni šajā kodolā,
02:04
neatkarīgi no tā, cik tālu ir pārējie protoni.
02:07
Jo elektriskie spēki ir tāldarbības spēki,
02:09
nav svarīgi, cik tālu tie ir,
02:11
elektriskais spēks darbojas.
02:12
Tātad to atgrūž visi pārējie protoni.
02:15
Bet kodolspēki ir tuvdarbības spēki.
02:17
Tas nozīmē, ka, lai gan tie ir ļoti spēcīgi,
02:21
tikai daži protoni un neitroni tā tuvumā,
02:24
tie, kas ir tā kaimiņos,
02:25
ir vienīgie, kas to var pievilkt.
02:27
Tie, kas ir tālu, nu, tie to nevar aizsniegt.
02:31
To kodolspēki ir tuvdarbības spēki.
02:33
Vieglākiem kodoliem tā nav problēma,
02:36
jo tie ir ļoti mazi.
02:38
Lielākā daļa protonu
02:39
un neitronu ir kodolspēku darbības rādiusā.
02:43
Bet kas notiek, kad kodols kļūst smagāks?
02:46
Iedomāsimies ekstrēmu gadījumu.
02:48
Ja būtu ļoti, ļoti daudz protonu un neitronu,
02:51
visi protoni to atgrūstu.
02:52
Elektriskais spēks kļūst neticami liels,
02:55
kas iedarbojas uz šo protonu.
02:56
Bet ne visas daļiņas to pievilks.
02:59
To pievilks tikai tās, kas ir tuvumā.
03:01
Tas nozīmē, ja ir pārāk daudz daļiņu
03:04
un kodols ir pārāk liels,
03:06
galu galā elektriskais spēks pārspēs
03:09
mūsu stipros kodolspēkus,
03:11
un tas padarīs kodolu nestabilu.
03:14
Un tagad, cerams, tu saproti, kā,
03:16
vai kāpēc, kodolam kļūstot arvien smagākam,
03:19
tas kļūst arvien lielāks.
03:21
Un kodolspēku tuvdarbības dēļ
03:23
galu galā elektriskais spēks var gūt virsroku.
03:25
Tas ir tas, kas padara šos kodolus nestabilus.
03:28
Ja tagad iedomājamies elementus ar tūkstošiem protonu,
03:32
nav nekādas iespējas, ka tie paliks stabili.
03:34
Elektriskais spēks tos vienkārši sašķeltu.
03:35
Tie vienkārši uzreiz sabruktu.
03:37
Bet kā ar smagajiem elementiem,
03:40
kas mums ir periodiskajā tabulā?
03:42
Šeit stiprie kodolspēki var kaut kā
03:45
tos noturēt, bet ne mūžīgi.
03:48
Tie ir atraduši veidu, kā kļūt stabilāki. Kā?
03:51
Tie vienkārši izsviež hēlija kodolu.
03:55
Un mēs to saucam par alfa sabrukšanu.
03:58
Mēs to saucam par alfa sabrukšanu,
03:59
jo, kad mēs to pirmo reizi atklājām,
04:00
mēs nezinājām, kura daļiņa tā ir,
04:02
kas tā ir par daļiņu,
04:03
un mēs to vienkārši nosaucām par alfa daļiņu.
04:05
Bet vēlāk mēs sapratām, ka tas ir tikai hēlija kodols
04:08
ar diviem protoniem un diviem neitroniem.
04:10
Labi, tas tagad varētu radīt daudz jautājumu.
04:13
Pirmais jautājums varētu būt:
04:14
kā tas padara kodolus stabilus?
04:16
Var redzēt, ka meitas kodolā tagad ir
04:18
mazāk daļiņu,
04:19
tāpēc tas ir nedaudz mazāks nekā mātes kodols.
04:21
Ja tas ir mazāks, ir daudz vieglāk
04:23
stiprajiem kodolspēkiem to noturēt,
04:25
un tāpēc tas kļūst stabilāks
04:27
nekā mātes kodols.
04:29
Tas nenozīmē, ka tas ir pilnīgi stabils.
04:31
Tas joprojām var būt radioaktīvs izotops,
04:33
un tas varētu piedzīvot vēl citas alfa sabrukšanas,
04:35
kas ir pilnīgi iespējams.
04:37
Labi, bet tad nākamais jautājums, kas rodas
04:40
manā prātā, ir – kāpēc tieši hēlija kodols?
04:41
Kāpēc ne kaut kas cits?
04:42
Kāpēc tas izsviež tieši to?
04:45
Īsā atbilde ir tāda,
04:47
ka hēlija kodols ir neticami, neticami stabils.
04:49
Un tas ir vienkārši enerģētiski izdevīgāk,
04:51
un tāpēc tā arī notiek.
04:53
Labi.
04:54
Vēl viens jautājums varētu būt:
04:55
kad vielas kļūst stabilas, enerģija samazinās, vai ne?
04:58
Šai sistēmai tagad vajadzētu būt
05:00
ar mazāku enerģiju, salīdzinot ar mātes kodolu.
05:02
To arī nozīmē būt stabilam.
05:04
Bet, ja tas tā ir, kur palika enerģija?
05:06
Šī enerģija izdalās
05:08
kā šo daļiņu kinētiskā enerģija.
05:10
Alfa daļiņa paņems lielāko daļu kinētiskās enerģijas,
05:12
bet arī meitas kodols piedzīvos nelielu atsitienu.
05:15
Un tagad uzmini nu?
05:16
Šīs alfa daļiņas var trāpīt citiem atomiem,
05:19
likt tiem svārstīties, radot siltumu.
05:22
Tā darbojas radioaktīvā sildīšana.
05:24
Un, starp citu, interesants fakts,
05:26
mēs uzskatām, ka tas galvenokārt ir tas,
05:28
kas uztur Zemes kodolu diezgan karstu.
05:30
Es domāju, ir arī citi iemesli,
05:30
bet mēs domājam, ka šis ir galvenais.
05:32
Un vēl viens interesants fakts:
05:34
no šejienes nāk lielākā daļa hēlija uz mūsu planētas,
05:37
no radioaktīvās sabrukšanas,
05:39
kas notiek ar elementiem Zemes iekšienē.
05:41
Lai nu kā, iepazīsimies ar šo tuvāk
05:43
un apskatīsim pāris piemērus.
05:45
Viens piemērs varētu būt urāns 92.
05:47
Izrādās, tas piedzīvo alfa sabrukšanu.
05:49
Jautājums mums ir: kas notiek pēc alfa sabrukšanas?
05:52
Vai mēs varam paredzēt, kā izskatīsies meitas izotops?
05:55
Paskatīsimies. Lūk, kā man patīk par to domāt.
05:56
Es zinu, ja tā ir alfa sabrukšana,
05:58
tad tiek izsviests hēlija kodols.
06:00
Tāpēc manam meitas kodolam ir jābūt
06:02
ar diviem protoniem mazāk.
06:04
Tam sākumā bija 92 protoni, tagad par diviem mazāk,
06:06
kas nozīmē, ka meitas kodolam vajadzētu būt
06:09
ar 90 protoniem.
06:10
Līdzīgi, manam meitas kodolam tagad būs
06:12
kopumā par četrām daļiņām mazāk.
06:15
Sākumā bija 238, tagad ir par četrām daļiņām mazāk.
06:18
Tas nozīmē, ka tam tagad vajadzētu būt ar 234 daļiņām.
06:22
Tam vajadzētu būt tā jaunajam masas skaitlim.
06:24
Manam jaunajam, manam meitas kodolam vajadzētu izskatīties šādi.
06:27
Bet kas tas ir?
06:28
Es neatceros, kurš, kas tas ir par elementu?
06:30
Tas vairs nav urāns,
06:31
jo tam ir 90, un es neatceros.
06:33
Tev nav jāatceras.
06:34
Tāpēc mums ir periodiskā tabula.
06:36
Ja es paskatos periodiskajā tabulā,
06:38
es redzu, ka 90 ir šeit.
06:40
Tas ir torijs. Torijs.
06:45
Skat, mēs iegūstam pavisam jaunu elementu.
06:48
Un, ja paskatās periodiskajā tabulā,
06:49
var redzēt, ka esam pārgājuši no urāna uz toriju.
06:51
Tas nozīmē, ka mēs pārvietojamies divas vietas pa kreisi
06:54
periodiskajā tabulā.
06:55
Tam ir sava jēga,
06:56
jo tu zaudē divus protonus,
06:57
tāpēc tu pārvietojies divus elementus pa kreisi.
06:59
Labi, kāpēc tu nepamēģini?
07:01
Šajā piemērā pieņemsim, ka ir kāds mātes kodols,
07:05
kas piedzīvo alfa sabrukšanu
07:06
un veido neptūniju 93 237.
07:10
Vai vari nopauzēt un paredzēt, kāds būs mātes kodols,
07:13
tā atomnumuru un masas skaitli?
07:16
Vari nopauzēt un pamēģināt?
07:18
Labi, atkal tā ir alfa sabrukšana,
07:20
tāpēc es zinu, ka ir jābūt izmestam hēlija kodolam.
07:24
Tāpēc es tagad varu paredzēt, nu,
07:27
meitas kodolā ir 93.
07:29
Divi izdalījās.
07:30
Tātad mātes kodolam bija jābūt 93 + 2, tātad 95 protoniem.
07:36
Un līdzīgi, izdalījās četras daļiņas.
07:39
237 ir meitas kodolā.
07:41
Tas nozīmē, ka mātes kodolam bija jābūt 237 + 4,
07:44
kopumā 241 daļiņai.
07:50
Un tāpēc manam mātes kodolam būtu
07:54
atomnumurs 95, kas ir šeit, Am.
07:58
Am apzīmē americiju.
08:01
Un lūk, rezultāts.
08:02
Tas ir mans mātes kodols.
08:04
Un atkal, ja paskatās periodiskajā tabulā,
08:05
pēc alfa sabrukšanas mēs esam pārvietojušies divus elementus
08:08
pa kreisi periodiskajā tabulā.
08:10
Redzi, viss, kas mums jādara, ir jāseko līdzi
08:12
kopējam protonu un neitronu skaitam.
08:14
Tie paliek nemainīgi, jo nekas nemainās.
08:16
Kopējais protonu skaits
08:17
un neitronu šeit būs tāds pats
08:19
kā kopējais protonu un neitronu skaits šeit.
08:21
Un, ja tu tam seko līdzi,
08:23
mēs varēsim paredzēt,
08:23
kāds būs mūsu meitas kodols
08:25
vai kāds būs mūsu mātes kodols.
08:26
Ir iemesls, kāpēc es izvēlējos šo piemēru,
08:29
jo šis ir radioaktīvais izotops, ko izmanto dūmu detektoros.
08:32
Bet kā alfa sabrukšana palīdz mums atklāt dūmus?
08:35
Paskatīsimies.
08:36
Šo radioaktīvo dūmu detektoru centrā ir
08:39
divas plates, kas savienotas ar bateriju,
08:42
lai tām būtu pozitīvs un negatīvs lādiņš.
08:44
Un apakšā ir americija avots.
08:48
Americijs izstaros
08:50
daudz alfa daļiņu,
08:51
bet vai tu kaut ko pamanīji
08:53
par alfa daļiņām?
08:54
Tām ir divi protoni,
08:56
bet tām nav elektronu,
08:58
jo tās nāk no kodola,
09:00
kas nozīmē, ka alfa daļiņām ir lādiņš +2.
09:04
Un, tā kā tās kustas ar lielu ātrumu,
09:05
tās tagad var izsist
09:07
daudz elektronu no atmosfēras daļiņām šeit,
09:10
no skābekļa, slāpekļa un visiem pārējiem atomiem.
09:12
Un tāpēc mēs tagad iegūstam elektronu jūru
09:16
un pozitīvos jonus.
09:18
Protams, hēlija kodoli galu galā piesaistīs
09:20
elektronus un kļūs par neitrāliem atomiem.
09:22
Bet galu galā tie atstāj aiz sevis
09:24
daudz pozitīvu un negatīvu lādiņu.
09:26
Rezultātā viss šis kļūst par vadītāju,
09:29
un tāpēc radīsies strāva,
09:32
nepārtraukta strāva, kas plūst ķēdē.
09:34
Šo procesu,
09:35
kurā hēlija kodols spēj izsist elektronus,
09:38
mēs saucam par jonizāciju.
09:39
Un tāpēc mēs saucam hēliju par
09:41
ļoti jonizējošu starojumu.
09:44
Lai nu kā, kas notiek, kad ir dūmi?
09:47
Tas izjauc šo procesu.
09:49
Tas neļauj hēlijam jonizēt
09:51
vairs tik daudz šo atomu,
09:52
jo starpā ir dūmu daļiņas.
09:54
Tas ievērojami samazina strāvu,
09:57
un to uztver sensors ķēdē,
10:00
un ieslēdzas trauksmes signāls.
10:02
Tā alfa sabrukšanu var izmantot dūmu noteikšanai.
10:07
Man tas šķiet absolūti prātam neaptverami.
10:09
Bet tevi varētu uztraukt doma,
10:11
ka mums mājās tagad ir radioaktīvs elements.
10:14
Vai tas nav bīstami?
10:16
Principā radioaktīvie elementi ir bīstami,
10:18
bet ar alfa daļiņām ir tā.
10:20
Jā, tās ir ārkārtīgi jonizējošas.
10:23
Tomēr tās netiek ļoti tālu.
10:25
Tās var viegli apturēt, teiksim, ar parastu papīra lapu,
10:29
jo tās ir tik masīvas.
10:30
Un tāpēc, lai gan tām ir liela jonizācijas spēja,
10:33
tām ir ļoti zema caurspiešanās spēja.
10:36
Un tāpēc neviena alfa daļiņa pat neizkļūs
10:38
no jūsu dūmu detektora korpusa.
10:41
Un tev ne par ko nav jāuztraucas.
10:43
Bet, ja nu tu nolemtu atvērt
10:44
dūmu detektoru, lai tuvāk apskatītu americiju?
10:47
Nu, tas gan var būt bīstami,
10:49
jo var gadīties, ka kāds neptūnijs 237 atrodas
10:53
kaut kur šeit apkārt gaisā.
10:54
Tu varētu to norīt.
10:55
Neptūnijs arī ir radioaktīvs,
10:57
un tāpēc tev tagad būtu radioaktīvi elementi
10:59
ķermeņa iekšienē.
11:01
Tas var būt bīstami, tāpēc nedari to.
Eksperta komentārs
Šajā video tiek skaidrots, kāpēc smago ķīmisko elementu kodoli ir nestabili un kāpēc nevar pastāvēt kodoli ar ļoti lielu protonu skaitu. Aktualizācijas daļā uzmanība pievērsta spēkiem, kas darbojas atoma kodolā.
Video uzsverts, ka kodolā vienlaikus darbojas divi fundamentāli spēki: Kulona spēks, kas izraisa protonu savstarpēju atgrūšanos, un kodolspēks, kas darbojas starp nukloniem (protoniem un neitroniem) un satur kodolu kopā.
Tiek skaidrots, ka stiprā mijiedarbība ir ļoti spēcīga, bet īsdarbīga – tas efektīvi darbojas tikai ļoti mazos attālumos. Pieaugot kodola izmēram un protonu skaitam, Kulona atgrūšanās kļūst nozīmīgāka, un kodols var kļūt enerģētiski nestabils.
Šādā situācijā kodols var samazināt savu enerģiju un izmēru, izstarojot α daļiņu (hēlija kodolu ar diviem protoniem un diviem neitroniem). Šis process tiek definēts kā alfa sabrukšana, un video parādīts, kā tā padara kodolu stabilāku.
Video otrajā daļā aplūkoti uzdevumi par α sabrukšanu: – gadījums, kad dota sākotnējā kodola informācija un jānosaka sabrukšanas produkti; – gadījums, kad doti produkti un jānosaka sākotnējais kodols.
Noslēgumā praktiskā kontekstā paskaidrots amerīcija izmantojums dūmu detektoros, sasaistot teorētisko kodolfizikas saturu ar ikdienas tehnoloģijām.
Jēdzieni: izotopi, elektrons, kodols, protoni, neitroni, elektriskie spēki, kodolspēki, alfa daļiņa, alfa-sabrukšana