宇宙中經常發生γ射線暴和X射線暴,為何沒聽過有α、β射線暴...

2020-12-19 艾伯史密斯

α射線是高速氦原子核,β射線是高速電子,兩者都帶電荷,所以α射線和β射線的穿透力有限,很容易被星際氣體和塵埃阻擋;而γ射線是波長很短的光子,光子不帶電,加上高能光子的穿透力很強,所以宇宙中天體發出的射線很容易到達地球表面。

在涉及核輻射時,我們會聽到一些名詞,比如X射線、伽馬射線、α射線、β射線、中子輻射等等;在天文學中,我們經常聽到伽馬(γ)射線暴,但沒聽過有什麼α射線暴、β射線暴,我們就來逐一了解這些射線的本質。

α射線

α射線其實就是高速運動的氦原子核,由兩個質子和兩個中子組成,帶兩個單位的正電荷;很多重原子核不穩定,在衰變時就會釋放α射線變為較輕的原子核,直到穩定為止。

比如釙-210的半衰期為138天,衰變類型就是α衰變,衰變方程式為:

Po(210,84)→Pb(206,82)+He(4,2);

穿透力:氦原子核帶正電,而且具有較大的質量,對應的α射線穿透力很弱,但是很容易把其他物質電離,一張紙就能α射線阻擋下來,甚至無法穿透皮膚,在空氣中也只能行進幾釐米。

釋放α射線的物質在人體外時傷害有限,可一旦進入人體內,就會產生很大的危害,能殺死細胞,打斷周圍細胞的DNA。

β射線

β射線其實就是高速電子流,分為β-射線和β+射線,前者是高速負電子,後者是高速正電子,帶一個單位的負電荷或者正電荷,常在物質衰變時產生。

比如碳14半衰期為5730年,在進行β-衰變後就會變為氮-14;鈉22的半衰期為2.6年,在進行β+衰變後就會變為氖-22,方程式分別為:

C(14,6)→N(14,7)+e(-);

Na(22,11)→Ne(22,10)+e(+);

穿透力:電子的質量遠小於氦核,所帶電荷只有α射線的一半,所以β射線的穿透要強於α射線,可以輕鬆穿過一張紙,也能穿透人體皮膚,但是會被幾毫米厚的鋁紙阻擋下來。

由於穿透力強,β射線引起的危害非常大,攝入一定量的β射線輻射量會引發癌症、白血病、後代畸形等等,人體攝入過多的β輻射還會造成死亡。

X射線和γ射線

兩者都是高能光子,或者說是波長很短的電磁波,其中X射線的波長在0.001~10nm之間,小於0.001nm的電磁波稱作γ射線,所以γ射線的能量是高於X射線的。

一般來說,X射線大多產生於原子核外電子從高能級向低能級的躍遷,γ射線常產生於原子核在發生α衰變和β衰變中;宇宙中一些極端的天文現象中,也會產生X射線和γ射線。

穿透力:光子沒有靜止質量,也不帶電荷,動質量也非常小,X射線和γ射線的穿透力非常強,γ射線甚至可以穿透1米厚的水泥牆和20釐米厚的鉛板。

由於γ射線具有極高的能量,也很容易進入人體內部,所以γ射線的危害非常大;比如駭人聽聞的鈷彈,就是利用鈷-60衰變釋放1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線,來對生物造成傷害,據說一枚鈷彈在平流層爆炸,就能殺死地球上所有的人。

中子輻射

不明思議就是高速的中子,由於中子不帶電,所以只能通過強力與之發生相互作用,中子輻射具有很強的穿透力,對人體產生的危害比γ射線更嚴重,這也是核輻射中危害最大,也最難防範的。

總結

知道了以上各種射線的特點,其中α射線和β射線由於帶電荷,受庫侖力的作用,所以很容易被宇宙中的星際氣體和塵埃阻擋,即便能到達地球,也會被地球的磁場阻擋在外,即便穿過了地球磁場,也無法穿過厚厚的大氣層。

中子輻射雖然穿透力強,但產生中子輻射的情況並不多,而且自由中子的平均壽命只有大約15分鐘,然後會通過β衰變轉化為質子,同時釋放一個電子和一個反中微子。

光子才是宇宙中的重要信使,無論是可見光,還是不可見的電磁波,都能在宇宙中穿過很遠的距離,尤其是X射線和γ射線幾乎不受星際氣體的阻擋,而且強烈的天體活動會產生大量的X射線和γ射線,所以地球上經常能探測到來自於宇宙中的X射線暴和γ射線暴。

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