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一些核物理的基本知识

佚名 科普常识

  原子由带正电的原子核和带负电的电子构成,而原子核又由质子和中子组成。因为所有的质子都带有相同的电荷,所以它们会产生相互排斥的静电力。在这里我们可以使用经典的库仑定律来计算力的大小,这个力与距离“r”的平方成反比 。由于带正电的质子在原子核中彼此非常靠近,因此它们之间的静电排斥力非常大。

  但是,使它们结合在一起以抵抗这种巨大排斥力的是一种称为“强力”的更为强大的力,它比电磁力强约 100 倍。这种力是宇宙中四种基本力之一,但这种力与引力和电磁力不同,它的作用距离非常小,只有一个质子的宽度。所以它只在质子、中子内部和之间运行,电子、光子和中微子不受其影响。

  这意味着原子核不能过大。强力仅在短距离内起作用,因此随着原子核变大,给定质子或中子的吸引力会迅速减弱。但由于电磁力的范围是无限的,它产生的排斥力会随着越来越多的质子而累加在一起。随着更多质子的加入,这种排斥力迅速压倒了强大的吸引力,破坏了原子核的稳定性。

  最重的稳定元素是铅,它有 82 个质子。元素中的质子数很重要,因为它完全 决定了元素的原子特性。给定的元素或原子可以具有相同数量的质子,但具有不同数量的中子,这些被称为元素的同位素。它们具有完全相同的化学性质,仅质量不同。稳定的原子核由大致相同数量的质子和中子组成,中子用于提供保持原子核稳定所需的额外强力。如果没有中子,两个质子都不能结合在一起以抵抗它们的排斥力。

  自由质子是稳定的,但自由中子是不稳定的。自由中子在大约 15 分钟内衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子。但在原子核内,它们保持稳定,因为在能量上不利于它们衰变。换句话说,如果周围有大量其他质子,从中子衰变为质子获得的能量低于在原子核中保留一个额外质子所需增加的能量。但原子核中这种类型的中子衰变并非不可能,并且可能发生在富含中子的同位素中。一个原子核的中子不能太少,否则排斥力太大造成原子核就不稳定。它也不能有太多的中子,因为最终强力不再能阻止它们衰变,就会形成不同的元素。

  讲到这里,我们不得不讲一下三种形式的天然放射性:α 衰变、β 衰变和伽马衰变。如果原子核非常大,那么强力几乎无法将其聚集在一起,在这种情况下它们会发射出 α 粒子(本质上是由 2 个质子和 2 个中子组成的氦核)。β 粒子是高能电子,也就是我们上述提到的中子衰变为质子。伽马粒子是一种高能光子,也称为伽马射线。伽马射线通常由在 α 或 β 衰变后产生的激发核发射。

  这三种形式的放射性穿透物质的能力截然不同 。α 粒子可以被一张薄纸挡住;β 粒子可以穿透皮肤,但可以被铝箔等薄金属片阻挡;伽马射线很难阻挡,甚至可以穿透 2.5 厘米厚的铅。为什么会有这样的差别?由两个质子和两个中子组成的 α 粒子相对较大、较重,因此速度较慢,很容易被挡住。而 β 粒子的速度更快、尺寸更小,因此它们的行进速度要快得多,并且更容易穿透物质。伽马射线完全不带电,而且以光速运动,所以穿透力很强,这些光子几乎必须直接撞击原子核才能停止。

  放射性核有一个特征叫作“半衰期”。一定数量的放射性原子,比如说 16 个原子,其半衰期为 1 周。然后一周后,将剩下 8 个原子。但事实上半衰期是一个统计概念,如果有这 16 个原子,我们无法确定它们会在多久后衰变,我们只能在任何原子在一周时间内有 50% 的机会衰变。

  虽然我们无法知道它们何时衰变,但可以控制它们裂变。如果一个大原子核,如铀的同位素 U-235,被一个中子击中,它就会分裂成两个较小的原子核,这称为核裂变。如果两个较小的原子核的总质量小于铀被撞击前的质量,则丢失的质量通过 E=mc² 转化为能量。

  对于铀和钚的某些同位素,当它们被中子击中时,除了分裂成两个质量较低的原子核外,也会抛出三个中子。如果有足够高浓度的可裂变核,那么三个被抛出的中子就有可能撞击其他原子核,产生进一步的裂变,从而产生所谓的链式反应。这就是二战期间投在广岛和长崎的原子弹背后的机制。

  裂变的对立面是聚变。当两个小原子核靠得足够近并融合成一个原子核时,就发生了聚变。聚变很难实现,因为质子彼此强烈排斥。在地球熵,只有加热到数亿摄氏度的气体才能使原子移动得足够快,以至于它们可以靠得足够近以实现聚变,量子隧穿在这里也发挥了作用。氢弹通过使用裂变弹的热量触发氢聚变,实现非常高水平的能量释放。

  太阳由氢聚变提供动力,但其机制与氢弹截然不同。它几乎不需要高温,因为它的质量会在其核心产生巨大的压力,将氢原子核推到一起。