Beta sabrukšana

Apskatīt video Khan Academy platformā: Khan AcademyBeta decay

Transkripts:
00:00
- [Instruktors] Vai tu zināji, ka papīra ražošanā
00:01
var izmantot radioaktivitāti,
00:03
lai nodrošinātu nemainīgu papīra biezumu?
00:06
Tieši tā, bet vai tas neliek aizdomāties,
00:08
"Kā gan tam izmanto radioaktivitāti?"
00:11
Noskaidrosim.
00:13
Ja ir ļoti smags kodols,
00:14
tad tajā būs pārāk daudz protonu,
00:16
kas rada atgrūšanos, padarot kodolu ļoti nestabilu.
00:20
Kad tas notiek,
00:21
tas vienkārši izsviež hēlija kodolu un kļūst vieglāks.
00:26
Tagad jaunais kodols ir stabilāks.
00:29
To mēs saucam par alfa sabrukšanu,
00:32
un mēs par to esam ļoti detalizēti runājuši
00:34
kādā citā video par alfa sabrukšanu, bet zini ko?
00:36
Arī vieglie kodoli var būt nestabili.
00:39
Pavisam cita iemesla dēļ,
00:40
tagad tam vairs nav nekāda sakara ar protonu skaitu,
00:43
bet gan ar attiecību
00:45
starp protoniem un neitroniem.
00:46
Izrādās, ka noteiktas protonu un neitronu attiecības
00:49
kodolam vienkārši neder,
00:51
padarot to ļoti nestabilu.
00:52
Ko tas dara tagad?
00:54
Kā tas stabilizējas?
00:56
Tagad tas piedzīvo beta sabrukšanu.
00:59
Patiesībā, mēs redzēsim, ka ir divu veidu beta sabrukšana,
01:02
bet kas tieši šeit notiek?
01:05
Kas ir beta daļiņa?
01:07
Izpētīsim to visu,
01:09
apskatot pāris piemērus.
01:11
Pirmajā piemērā apskatīsim oglekli-14.
01:13
Tas ir radioaktīvs izotops, un tas ir nestabils.
01:17
Tas pārvēršas par slāpekli-14,
01:20
izsviežot beta daļiņu.
01:22
Atkal jautājums, kas te notiek?
01:24
Kas ir šī beta daļiņa?
01:26
Protams, mēs varam to atrast Google,
01:27
bet kur tad prieks?
01:29
Tā vietā liksim galvas strādāt
01:30
un paskatīsimies, vai varam to loģiski secināt.
01:33
Man patīk par to domāt šādi:
01:34
vienkārši sekot līdzi protoniem un neitroniem.
01:37
Es domāju, ja paskatās uz oglekli, tam ir 6 protoni,
01:40
un, tā kā kopējais daļiņu skaits ir 14,
01:42
atlikušajiem 8 jābūt neitroniem,
01:44
tātad tajā ir 8 neitroni.
01:46
Labi, kā ar slāpekli?
01:48
Tam ir 7 protoni.
01:50
Un, tā kā masas skaitlis palika nemainīgs,
01:53
ak, tas joprojām ir 14,
01:55
tajā jābūt vēl 7 neitroniem.
01:58
Ja uzmanīgi paskatās uz protoniem,
01:59
var redzēt, ka labajā pusē ir par vienu protonu vairāk.
02:04
Bet, ja paskatās uz neitroniem,
02:05
nu, kreisajā pusē ir par vienu neitronu vairāk.
02:09
Vai varam uzminēt, kas varētu būt noticis?
02:14
Mēs varam minēt,
02:15
ka neitrons ir pārvērties par protonu.
02:19
Un zini ko?
02:20
Tieši tas šeit arī notika.
02:22
Tā ir beta sabrukšana,
02:23
vai vismaz viens no beta sabrukšanas veidiem.
02:25
Neitrons pārvēršas par protonu.
02:29
Tas ir neticami, vai ne?
02:31
Bet tas vēl nav viss,
02:33
mēs tagad varam arī uzminēt, kas šī ir par daļiņu,
02:35
vai vismaz uzminēt šīs daļiņas īpašības,
02:37
vienkārši izmantojot lādiņa saglabāšanos.
02:39
Proti, neatkarīgi no tā, vai runa ir par ķīmiskiem procesiem
02:42
vai kodolprocesiem, lādiņiem vienmēr jāsaglabājas.
02:45
Visām daļiņām, kuras mēs jau esam uzskaitījuši,
02:47
protams, lādiņš saglabājas, bet paskaties uz šo,
02:49
neitrons ir neitrāla daļiņa,
02:53
bet, kad tas pārvēršas par protonu,
02:55
rodas pozitīvs lādiņš.
02:57
Tagad mums tas ir jāņem vērā.
02:58
Arī labajai pusei jābūt neitrālai.
03:00
Tas nozīmē, ka līdz ar pozitīvo lādiņu
03:03
jārodas arī negatīvi lādētai daļiņai.
03:06
Tāda ir beta daļiņa.
03:08
Tai jābūt ar tādu pašu negatīvu lādiņu.
03:12
Un zini, kas tas ir?
03:14
Izrādās,
03:16
zini, eksperimentāli mēs atklājām,
03:18
ka tas ir elektrons.
03:20
Šajā konkrētajā procesā
03:22
tiek izsviests elektrons.
03:24
Tas ir vecais, labais elektrons, ko mēs visi pazīstam,
03:26
izņemot to, ka tas nāca no kodola.
03:31
Tātad, ikreiz, kad elektroni nāk no kodola,
03:33
mēs to saucam par beta mīnus daļiņu,
03:36
un šo sabrukšanu mēs saucam par beta mīnus sabrukšanu.
03:40
Protams, mums tas jāpieraksta tādā pašā veidā,
03:42
jo tas joprojām ir kodolprocess.
03:45
Kā mēs to pierakstām?
03:46
Nu, šeit mums ir 6,
03:48
bet šeit mums ir 7.
03:50
Lai kopējais skaitlis šeit būtu 6,
03:53
man vienkārši jāatņem 1,
03:55
tāpēc es rakstīšu mīnus 1,
03:57
lai šeit būtu 6 un 7 mīnus 1 arī ir 6.
03:59
Un es zinu, ka tu droši vien domā: "Nu, Maheš,
04:01
ko nozīmē mīnus 1 šeit?
04:03
Jo tam taču vajadzētu būt atomnumuram, vai ne?
04:05
Ko nozīmē atomnumurs mīnus 1?"
04:08
Par to pārāk neuztraucies.
04:09
Man patīk par to domāt vienkārši kā par negatīvu lādiņu,
04:11
kas šeit pierakstīts.
04:12
Protams, nav jēgas runāt par elektrona
04:15
atomnumuru vai masas skaitli,
04:18
bet tas ir tikai veids, kā nodrošināt,
04:20
ka mūsu apzīmējumi ir korekti.
04:22
Labi, lai nu kā, tas par šo,
04:24
kā ar masas skaitli?
04:26
Masas skaitlis nemainījās,
04:28
mums ir 14 šeit un 14 šeit.
04:30
Tas ir labi, tāpēc vienkārši rakstīsim 0.
04:33
Tā mēs apzīmējam elektronu
04:35
kodolprocesā, beta mīnus daļiņu.
04:38
Labi, tagad tu varbūt domā,
04:39
"Kas ir šī jautājuma zīme šeit?"
04:41
Pie tā mēs vēl nonāksim, bet pirms tam
04:42
apskatīsim vēl vienu piemēru.
04:44
Šoreiz slāpeklis pārvēršas par oglekli.
04:48
Kāpēc gan neapturēt video un neveikt to pašu analīzi.
04:51
Vai arī šeit notiek tas pats,
04:54
vai arī notiek kaut kas cits?
04:55
Vai šī ir tā pati beta daļiņa vai kas cits?
04:57
Kāpēc gan neapturēt un nepamēģināt?
05:00
Labi, paskatīsimies.
05:01
Atkal, šeit ir 7 protoni.
05:04
Un, tā kā kopējais masas skaitlis ir 13,
05:07
tas nozīmē, ka šeit ir 6 neitroni.
05:10
Un šeit ir 6 protoni.
05:13
Un atkal, masas skaitlis palika nemainīgs,
05:15
tātad šeit jābūt 7 neitroniem.
05:19
Atkal, ja mēģina tos saskaitīt,
05:20
redzēsi, ka šeit ir par vienu protonu mazāk,
05:24
bet šeit ir par vienu neitronu vairāk.
05:29
Kas šeit notika?
05:31
Hei, tas ir tieši pretēji,
05:33
šoreiz protons pārvērtās par neitronu.
05:38
Un atkal, ja mēģina ņemt vērā lādiņu,
05:41
jo lādiņiem jāsaglabājas,
05:42
šeit kreisajā pusē ir pozitīvs lādiņš,
05:44
tātad arī labajā pusē jābūt pozitīvam lādiņam.
05:47
Šis ir neitrāls,
05:48
tas nozīmē, ka šai daļiņai jābūt pozitīvi lādētai,
05:51
tai jābūt ar tādu pašu lādiņu kā protonam.
05:54
Kas tas ir?
05:56
Izrādās, to mēs saucam par pozitronu.
06:02
Bet kas īsti ir pozitrons?
06:04
Domā par pozitronu kā par dvīni,
06:07
elektrona ļauno dvīni.
06:09
Tam ir gandrīz visas īpašības,
06:11
līdzīgas elektrona īpašībām, piemēram, tāda pati masa,
06:14
tam būs līdzīgs spins un visas kvantu īpašības,
06:17
bet tikai viena lieta būs pretēja,
06:19
tā lādiņš būs pretējs.
06:21
Labi, šī mums, iespējams, ir jauna daļiņa,
06:25
tā ir līdzīga elektronam, bet ar pozitīvu lādiņu,
06:28
mēs to saucam par pozitronu.
06:30
Tomēr vispārīgi, ja ir daļiņas,
06:33
kurām ir gandrīz tādas pašas īpašības
06:36
kā citām daļiņām,
06:37
izņemot dažas, kas ir pretējas,
06:39
piemēram, lādiņš,
06:40
vai ir dažas citas kvantu īpašības,
06:42
kas arī var būt pretējas,
06:43
tādā gadījumā to sauc par antimatēriju.
06:47
Šis pozitrons ir elektrona antimatērija.
06:52
Arī protoniem ir sava antimatērija,
06:54
to sauc par antiprotoniem.
06:55
Arī neitroniem būs sava antimatērija,
06:57
to sauc par antineitroniem un tā tālāk.
07:00
Un skaistākais antimatērijā ir tas,
07:02
ka, antimatērijai saskaroties ar matēriju,
07:05
tās iznīcina viena otru, tās anihilējas,
07:08
atbrīvojot enerģiju.
07:10
Bet, lai nu kā, šajā beta sabrukšanā
07:12
mēs iegūstam pozitronu, antielektronu,
07:15
elektrona antimatēriju, kas tiek izsviesta.
07:17
Un, tā kā tas ir pozitīvi lādēts,
07:19
mēs to saucam par beta plus sabrukšanu.
07:22
Un tāpat kā iepriekš,
07:24
tāpat kā iepriekš, mēs gribam to pierakstīt,
07:26
un pierakstīt ar pareiziem apzīmējumiem,
07:29
šoreiz mēs šeit rakstīsim plus 1.
07:33
Un atkal, pārāk neuztraucies, kas tas ir,
07:35
mēs tikai nodrošinām, ka šis kopējais skaitlis
07:38
paliek nemainīgs.
07:39
Un šeit, tā kā masas skaitlis nekad nemainās,
07:41
mēs to apzīmēsim ar 0.
07:43
Tā kodolprocesā pieraksta pozitronu,
07:47
bet tas mūs noved pie pēdējā puzles gabaliņa,
07:49
kas īsti ir šīs jautājuma zīmes?
07:51
Mēs esam uzskaitījuši visas daļiņas, vai ne?
07:54
Ļauj man tev pajautāt.
07:55
Mēs zinām, ka jebkurā radioaktīvā procesā
07:57
vielām jākļūst stabilākām.
07:59
Stabilāks nozīmē, ka tam vajadzētu būt mazāk enerģijas, vai ne?
08:03
Kur tad paliek enerģija?
08:04
Enerģija pāriet
08:05
šo daļiņu kinētiskajā enerģijā.
08:07
Bet, kad mēs to aplūkojām eksperimentāli,
08:09
mēs atklājām, ka daļa kinētiskās enerģijas trūkst.
08:13
Un, lai to izskaidrotu,
08:14
mēs izvirzījām hipotēzi, ka jābūt vēl kādai daļiņai,
08:18
kas šo enerģiju paņem.
08:19
Tai jābūt neitrālai,
08:20
jo mēs esam ņēmuši vērā visus lādiņus,
08:22
tai jābūt ļoti mazai,
08:24
tai jābūt ar ļoti mazu masu,
08:25
un tā nedrīkst daudz mijiedarboties ar matēriju,
08:27
jo mēs to ilgu laiku nevarējām atklāt,
08:30
bet galu galā mums tas izdevās.
08:31
Un zini, kā mēs saucam šīs daļiņas?
08:33
Mēs tās saucam par neitrīno un antineitrīno.
08:37
Arī neitrīno ir antimatērija.
08:39
Tagad lielais jautājums ir, kurš kur parādās?
08:42
Kur mēs iegūstam neitrīno
08:43
un kur mēs iegūstam antineitrīno?
08:44
Izrādās, ka visur, kur mēs iegūstam elektronu,
08:47
mēs iegūstam antineitrīno,
08:50
un visur, kur mēs iegūstam antielektronu, tas ir, pozitronu,
08:53
tur mēs iegūstam neitrīno.
08:55
Neitrīno simbols ir nī.
08:58
Un e šeit vienkārši norāda, ka šie neitrīno,
09:01
antineitrīno, radās kopā ar elektroniem.
09:04
Un, protams, svītra augšā
09:06
apzīmē, ka tas ir antineitrīno.
09:08
Tagad mēs varētu justies apjukuši, domājot: "Ak, Dievs,
09:11
ir tik daudz daļiņu, kam sekot līdzi.
09:12
Kā to visu atcerēties?"
09:14
Lielāko daļu var izdarīt loģiski.
09:15
Pirmkārt, ja paskatās plašāk,
09:17
var redzēt, ka beta sabrukšana
09:18
pamatā ir neitronu pārvēršanās par protonu
09:21
vai protona pārvēršanās par neitronu.
09:23
Un iemesls, kāpēc tās to dara, ir attiecības uzlabošana.
09:25
Atceries, viss iemesls bija protonu un neitronu attiecība,
09:28
kas tiem nederēja, padarot tos nestabilus.
09:30
To darot, tie mainīs šo attiecību,
09:33
tā ir visa motivācija.
09:34
Un tad var izmantot lādiņa saglabāšanos,
09:37
lai noskaidrotu, kur iegūsim beta mīnus daļiņu,
09:39
un kur iegūsim beta plus daļiņu.
09:41
Un visbeidzot, es atceros,
09:43
ka visur, kur mums ir elektrona matērija,
09:45
līdz ar to es iegūšu
09:46
neitrīno antimatēriju, antineitrīno.
09:49
Un visur, kur man ir antimatērija, pozitrons,
09:52
kas ir antielektrons,
09:54
līdz ar to es iegūšu parastās matērijas neitrīno,
09:57
kas ir vienkārši neitrīno.
09:58
Starp citu, ja kādreiz domā: "Hei,
10:00
kas ļauj tam notikt?
10:02
Kāda veida spēks pieļauj
10:03
šo dīvaino neitrona pārvēršanos par protonu
10:06
un protona pārvēršanos par neitronu?"
10:07
Tas ir vājais kodolspēks,
10:10
ceturtais dabas fundamentālais spēks.
10:13
Tagad atbildēsim uz sākotnējo jautājumu,
10:14
kā rūpniecībā izmanto beta sabrukšanu,
10:17
lai nodrošinātu nemainīgu papīra biezumu?
10:20
Izrādās, ka beta sabrukšanai,
10:22
atvainojos, beta daļiņām,
10:23
gan pozitīvajām, gan negatīvajām beta daļiņām,
10:26
ir daudz lielāka caurspiešanās spēja,
10:28
salīdzinot ar alfa daļiņām.
10:29
Atceries, alfa daļiņas,
10:31
tā kā tām ir liela jonizācijas spēja,
10:33
jo tām ir +2 lādiņš un tās ir masīvas,
10:35
tās var viegli apturēt pat papīrs.
10:38
Beta daļiņas ir daudz mazākas,
10:40
tā kā tām ir vienkāršs lādiņš,
10:42
tām ir mazāka jonizācijas spēja.
10:44
Un, tā kā tās ir daudz mazākas,
10:46
tās var viegli iziet cauri papīram.
10:48
Patiesībā, vajadzēs kaut ko līdzīgu plastmasai vai stiklam,
10:51
vai varbūt alumīniju, lai tās apturētu.
10:55
Tagad iedomāsimies, kas notiek,
10:56
ja nāk daudz beta daļiņu
10:58
un to priekšā noliek papīru.
11:00
Dažas beta daļiņas tiks absorbētas,
11:02
bet daudzas daļiņas tiks cauri.
11:04
Daļiņu daudzums, kas tiks cauri,
11:06
būs atkarīgs no papīra biezuma, vai ne?
11:08
Jo, ja papīrs ir biezāks,
11:10
tiek absorbēts vairāk beta daļiņu.
11:12
Skatoties, cik daudz daļiņu
11:14
iznāk no papīra aizmugures,
11:16
var noteikt, kāds ir biezums
11:19
šajā konkrētajā vietā.
11:21
Un šādi rūpniecībā izmanto beta sabrukšanu,
11:26
lai nodrošinātu nemainīgu biezumu.
11:29
Redzi, tam nevar izmantot alfa daļiņas,
11:31
jo tās tiek ļoti viegli apturētas.
11:34
Beta daļiņām ir pareizā caursišanas spēja,
11:36
lai veiktu šo darbu.
11:37
Man tas šķiet aizraujoši, jo es nekad nebūtu iedomājies
11:40
izmantot beta sabrukšanu,
11:42
lai nodrošinātu nemainīgu papīra biezumu.
11:45
Manuprāt, tas ir vienkārši apbrīnojami.
anihilācija(annihilation)
radioaktīvais starojums(radioactive radiation)
radioaktivitāte(radioactivity)
β starojums(beta radiation)

Eksperta komentārs

Šajā video skaidrots, ka atoma kodols var būt nestabils ne tikai liela izmēra dēļ. Arī mazi un viegli kodoli var būt radioaktīvi,jo daži nuklonu proporcijas (protonu skaits pret neitronu skaitu) ir dabiski nestabilas. Video aplūkoti divi β sabrukšanas veidi. β−β^- sabrukšanā neitrons pārvēršas protonā, un tiek izstarots elektrons (β−β^- daļiņa) un antineitrīno. β+β^+ sabrukšanā protons pārvēršas neitronā, izstarojot pozitronu (β+β^+ daļiņu) un neitrīno. Tiek uzsvērts, ka neitrīno un antineitrīno ir elektriski neitrālas, ļoti mazas masas elementārdaļiņas, kas aiznes daļu enerģijas.

Ar uzdevumu piemēriem parādīts, kā mainās kodola sastāvs un kā šie procesi palīdz atomam pāriet enerģētiski stabilākā stāvoklī. Video loģiski papildina iepriekš aplūkoto kodolu stabilitātes un radioaktīvās sabrukšanas tematu.

Jēdzieni: kodols, β−β^- sabrukšana, β+β^+ sabrukšana,elektrons, neitrons, protons, pozitrons, neitrīno, antineitrīno