衰变的类型

迄今为止化学学习中 我们所讨论的 都是围绕着电子的稳定性 电子更喜欢稳定的电子层 像生活中所有的东西一样 如果你进一步研究原子 你会发现电子不是原子中 唯一运动的东西 原子核本身有一些运动 或者有一些不稳定 需要以某种方式缓解 这就是这集我们要讨论一下的内容 然而其实它的机理超出了 第一年化学课的范围 但至少了解一下也是不错的 然后有一天如果我们学习强核力 和量子物理学之类的 这样我们才能具体讨论 为什么这些质子和中子 和它们的组分夸克 会这样相互影响 但因此 我们至少要先认识一下不同类型的 原子核衰变 假设有许多质子 我这只画一些 一些质子 一些质子 然后画一些中子 我会用中性的颜色来画 嗯 浅灰色应该不错 那么画些中子在这 我画了多少质子？ 这儿有1,2… 7,8 我要画1,2… 9个中子 那么假设这是我们的原子核 记住 这是 你知道 在头几集里 我讲过原子 原子核 如果你要画一个具体的原子 事实上是很难的 因为它没有明确的界限 电子真的可以在 你知道 在任一时刻 它可能在任何地方 但是如果你说 好啦 90%的时间电子在哪呢？ 你可以说 在半径以内 或者这是原子的直径 在头几集中我们学到 原子核只占球的体积的 几乎无限小的部分 而电子90%的时间会出现在这 这是简洁的处理方法 呐 我们在生活中看到几乎所有 都只是开放的空的空间 这些都只是开放空间 但是我只是想重复一下 因为我们前面讲到的 无限小的点 尽管它是原子体积的 非常小的一部分 却其实几乎占了全部质量 这就是我放大的地方 这些不是原子 也不是电子 我们放大原子核 然后发现 有时候原子核有点不稳定 而它想达到一个更稳定的结构 我们不会深入探讨具体的 不稳定原子核的定义之类的 但为了变成一个更稳定的原子核 有时候它会释放一个α粒子 或这称作α衰变 α衰变 它释放一个α粒子 这听起来很高深 它只是中子和质子的集合体 而一个α粒子由两个中子和两个质子构成 或许是这些家伙 它们只是觉得自己不合群 所以它们就变成了集合体 然后它们被释放了 它们离开了原子核 那么想想原子发生了什么变化 这样的事发生的时候 那假设某个随机的元素 我们就叫它元素E 假设它有p个质子 让我用质子的颜色来写吧 它有p个质子 然后是原子质量数 等于质子数加上中子数 用灰色写中子数 对吧？ 那么当它经历了α衰变 元素发生了什么？ 它的质子数要减少2 所以它的质子数变为P-2 然后它的中子数 也要减少2 所以质量数要减少4 所以上边将是P-2 加上中子数的-2 所以就有-4 所以质量数要减少4 而事实上就变成了一个新的元素 记住 元素是由质子数 定义的 所以在这个α衰变中 失去了两个中子和两个质子后 尤其重点是质子数的改变 会使之变成了一个不同的元素 那么如果我们叫这个元素1(E1) 我就这样叫它吧 它要变成一个不同的元素 元素2(E2) 而且如果你想一下生成了什么 原子核释放了有两个质子的东西 还有两个中子 那么它的质量数就是 两个质子加两个中子 那么释放的是什么？ 我们释放了质量数为4的粒子 那如果你查一下 两个质子加两个中子是什么？ 其实我没有准备元素周期表 在这集前我忘了剪切粘贴了 但在周期表上找到有两个质子的元素 不会花太长时间 而那就是氦(He) 而其实它的质量数是4 所以这就是一个氦核 伴随着α衰变被释放出来的 事实上这就是一个氦核 而且正因它是一个氦核 并且它没有电子 来拉着两个质子 所以这是一个氦离子 其实它没有电子 它有两个质子所以带两个正电荷 所以α粒子实际上是氦离子 一个带两个正电荷的氦离子 它自发地被原子核释放 只为了达到一个更稳定的状态 这就是衰变的一种类型 让我们来学习其它的 那么让我再画一个原子核 我会画些中子 也会画些质子 那么结果就是有时 中子感到自我怀疑 它看着质子的日常生活 然后说 你知道吗？ 由于某些原因 当我俯瞰内心深处 我觉得我应该是一个质子 如果我是一个质子 整个原子核可能会更稳定一些 然后它决定要变成一个质子 记住 中子是电中性的 那么它所做的就是 释放一个电子 我知道你会说 Sal 不要闹了 我甚至不知道中子里有电子 还释放呢 你是对的 这很疯狂 但某天我们会学习 原子核里存在的所有微粒 但先假设它可以释放一个电子 所以这释放了一个电子 而我们用… 它的质量近似为0 我们知道电子的质量并非真的是0 不过这用的是相对原子质量 如果质子是1 一个电子就是1/1,836 所以很接近了 我们假设它的质量是0 它的质量不真的是0 而它所带的电荷是-1 它的原子… 你可以说它的原子序数是-1 所以它释放了一个电子 而通过释放一个电子 现在它变成了一个质子 不再是中性的了 而这叫作β衰变 而β粒子就是释放的那个电子 那么让我们回到元素上面 它有一定数目的质子 也有一定数目的中子 那么质子数加上中子数 就得到了质量数 当经历了β衰变 什么改变了？ 质子数变了吗？ 当然 比原来多了一个质子 因为中子变成了一个质子 所以现在质子数要加1 那质量数改变了吗？ 那我们来看一下 中子数减1 但是质子数加1 所以质量数没有改变 所以仍然是P+ 所以质量保持不变 不像α衰变的情况 但是元素却改变了 质子数改变了 那么现在 又一次 在β衰变中 出现一个新元素 现在 我们假设有另一种情况 假设有这样一种情况 其中一个看着中子 然后说 你知道吗？ 我了解它们的生活 那非常吸引我 我认为我会适应得更好 而且原子核中的粒子团体 将会更和谐 如果我也是个中子 我们会处于一个更稳定的状态 所以这个难受的质子 它所做的是 它可能会释放… 一个新的概念来了 一个正电子 而不是一个质子 它释放了一个正电子 什么是正电子？ 它和电子的质量 完全相等 也就是质子质量的1/1836 不过这儿我们只是写个0 因为相对原子质量中 它非常接近0 但是它带一个正电荷 这着实让人疑惑 因为它还是写成e 无论何时我看到e 都以为是个电子 其实不对 写成e是因为它们很像 同类的粒子 但它没有带负电荷 而是带一个正电荷 这就是正电子 然后我们开始对目前正在用的 粒子们的类型感到 新奇 但是这确实发生了 如果一个质子释放了这样的粒子 它的所有正电荷都跟着它 没了 这个质子就变成了中子 而这叫作β+衰变 β+衰变很容易 理解 因为它又称正电子发射 那么如果我们又从E开始 它有一定数目的质子 和一定数目的中子 那新元素会是什么呢？ 呐 它将会减少1个质子 P-1 而同时会变成一个中子 所以P要减少1 N将增加1 那么整个原子的质量不会改变 所以将仍是P+ 但还是变成了一个不同的元素 对吗？ 发生β衰变时 我们增加了质子数 那么我们稍微向元素周期表的右边移动 或者增大… 嗯… 你懂的 当发生β+衰变时 我们减少了质子数 事实上我应该在这 写这两个反应的 那么这是β+衰变 释放了一个正电子 而β衰变中 释放了一个电子 它们被写成一样的格式了 你知道这是一个电子 因为它带一个负电荷 而你知道这是一个正电子 因为它带一个正电荷 现在还有最后一种衰变类型 是你需要了解的 但是它不会改变原子核的 质子数或中子数 而它只会释放大量能量 或者有时 你知道 释放高能质子 这叫作γ衰变 γ衰变的意思是 这些家伙只是重组自身 或许它们会变得更靠近 而通过这样它们释放能量 以波长很小的电磁波形式 实质上就是 你可以叫它γ粒子或γ射线 它的能量非常高 γ射线是你不会想靠近的东西 它们非常有可能会杀掉你 我们讲的这些 我讲得有点理论化 我们来看些具体问题吧 识别一下做的是哪种衰变 那么这有铍7(Be7) 7是它的质量数 而我让它变成锂7(Li7) 那这是发生了什么？ 铍 原子核质量保持不变 但是质子数从4变为3 所以质子数减少了 总共的原子质量没有变 所以这肯定不是α衰变 你知道 α衰变是 从原子核释放一整个的氦核 那释放的是什么呢？ 释放的大概是一个正电荷 或者是一个正电子 而事实上式子中我写这个 这是一个正电子 所以从铍7到锂7的衰变 是β+衰变 好了 现在让我们看下一个 铀238(U238)衰变成钍234(Th234) 我们看到质量数减少了4 -4 而你也看到原子序数减少了 或者叫质子数 减少了2 所以说必须要释放 实质上 原子质量为4 原子序数为2的东西 也就是氦 所以这是α衰变 那么这就是α粒子 这就是一个α衰变的例子 现在你可能说 嘿 等一下 一些奇怪的事发生了 以为如果只是92个质子变成90个质子 那我还有下92个电子呢 那为什么不是带2个负电荷呢？ 而甚至 释放的氦 它不带任何电子 它只是一个氦核 那么它怎么不带2个正电荷呢？ 如果你这样说 那是绝对正确的 但是事实是 衰变一旦发生 钍 它没有原因保留 这两个电子 所以这两个电子消失了 而钍又变成中性的了 而氦 同样地 它非常快地… 它非常想得到两个电子来变稳定 所以它非常迅速地在碰撞中 掠夺了别人两个电子 因此它变得稳定了 所以你用哪种方式写都可以 接着我们再做一个 这有碘(I) 我们看看发生了什么 质量没有改变 那么我必须把质子变成中子 或者把中子变成质子 而我看到这有53个质子 现在有54个质子 那么一个中子一定变成了质子 一个中子一定变成了一个质子 而一个中子变成一个质子 是通过释放一个电子实现的 那我们看看这个反应 一个电子被释放了 所以这是β衰变 这是一个β粒子 同理 你会说等等 只是从53个质子变为54个质子 既然有了多的质子 这为什么没带一个正电荷呢？ 会带的 但是迅雷不及掩耳 它可能不会刚好得到这个电子 有这么多电子在附近跑动 但是它会从某个地方夺来某些电子 变得稳定 然后它又稳定了 但是你会马上又想 嘿 在某个小时段里它不会是离子吗？ 现在我们再做一个 那么这有氡222(Rn222) 它的质量数是86 变成了钋218(Po218) 质量数是84 那做一个有趣的拓展吧 钋以波兰命名的 因为居里夫人 她-- 在当时的波兰 在上个世纪之交 大约是1800's的末期 波兰不是作为一个独立的国家而存在 它被普鲁士、俄罗斯、和奥地利分裂 而他们十分想让人民知道 嘿 你知道 我们认为我们是一个民族 所以当他们发现 你知道 氡衰变后形成了这个元素 然后他们以祖国命名 以波兰命名 这是发现新元素的殊荣 不过好啦 回到这个问题上 那么发生了什么呢？ 原子质量减少了4 原子序数减少了2 再次 我们又释放了一个氦核 一个氦核 原子质量是4 原子序数是2的东西 然后变成了这样 所以这是一个α衰变 我们可以写成一个氦核 所以它没有电子 我们可能马上会说 它会带一个负电荷 但是然后它消失了