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为什么有些原子具有放射性?

归档日期:06-14       文本归类:放射性残片      文章编辑:爱尚语录

  1896年2月24日,法国物理学家亨利·贝克勒尔通过对各种铀盐的观测,发现了元素的放射性现象。那么,为什么有些原子具有放射性?

  海边某座山上有一块石头,静悄悄地在那里从来都没出过什么事儿。突然有一天,这块石头无缘无故地迸裂开,以极高的速度向外射出了一个石卵!

  这是《西游记》描写的孙悟空诞生过程,在日常生活中这种事情似乎不太可能发生。但是在原子尺度的微观世界里,这却是一个相当常见的基本物理现象。

  这就是放射性。有些比较大的原子核会自发地向外发射一块或者几块“碎片”。这些“碎片”就是质子、中子、电子、中微子或者光子。实际上,所有拥有至少83个质子的原子都有放射性。核裂变也能发射出中子,因此也是一种放射性,只不过在这种情况下主要是一个大的原子核解体为两三个小原子核。发射出来的“碎片”被称为射线,由于能量巨大,通常具有一定的破坏性。一个原子核一旦因为放射性而失去了部分东西,它就不再是同一种原子了,也就是说它“变质”了,因此这个过程被称为“衰变”。最常见的放射性衰变包括发射一个氦原子核(由两个质子和两个中子组成,叫作阿尔法衰变);或者发射单个的质子或中子;或者发射一个电子和一个中微子(此时原子核中的一个质子会变成中子,叫作贝塔衰变);或者发射能量较高的光子(叫作伽马射线,比通常X射线的能量更高,穿透性更强)。

  放射性衰变产生的射线会对人体造成辐射,这种辐射可不是闹着玩的。与一般电磁波带来的辐射不同,放射性射线往往能直接打在阻挡物的原子核上,改变原子核的结构,因此改变阻挡物的化学性质!如果大量照射在人体上,射线可以直接破坏机体某些大分子结构,例如使人体的蛋白分子链断裂等,这样细胞组织就被破坏。如果人受到的辐射过多,就会罹患癌症,甚至患上辐射病,在短期内直接死亡。

  为什么有些原子具有放射性?简单地说,这是因为这些原子的原子核不够稳定——发生衰变以后的产物总质量通常比衰变前的原子核质量要小,就意味着一部分质量变成了能量释放出来,使衰变之后系统变得更稳定了。然而物理学家,比如说卢瑟福,并不满足于这种笼统解释,他们一直在追问放射性的内部机制又是什么。

  我们知道原子核中包括质子和中子。中子不带电,质子带正电——这意味着它们之间存在着电磁力,应该互相排斥。但原子核仍然能结合在一起而不解体,这是因为原子核内还存在一种称为“强相互作用”的力,叫“强力”。每个质子或中子都是由三个夸克组成的,而强力正是夸克之间的一种吸引力。我们之所以说这种力“强”,是因为这种力远大于电磁斥力,能把质子和中子紧紧束缚在一起构成原子核。

  但强力有个弱点:它的作用距离很短。而电磁力的作用距离则比较长。即使如此,在原子核的范围内,电磁力也是无论如何竞争不过强力的。就算由于随机的运动使得某个质子距离其余核子稍微远了一点,电磁力的排斥作用也不会强于强力的吸引力。由此看来,原子核任何时候都不应该解体。那为什么核子有时候能挣脱核力(强力)呢?直到1928年,乔治·伽莫夫提出在微观世界有一个非常奇妙的现象,叫作量子隧道效应,才解决这个问题。这个效应说,就算强力如此强大,质子或者中子仍然有一个微小的可能性会突然从它的束缚中穿越出来。

  有意思的是,物理学家是先知道有放射性,并且知道了放射性的半衰期特征之后,才知道有原子核的。

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