原子、質子、中子、電子等微觀粒子有壽命嗎?

2020-12-03 鍾銘聊科學

微觀粒子的壽命到了,我們一半都會稱為衰變,所謂的壽命長短其實是用粒子的半衰期的界定的。在原子,質子,中子,電子中,真正意義上,我們發現可以發生衰變的,其實只有原子和中子。質子的半衰期有假說,但還沒有被驗證,電子則認為是和宇宙同齡的存在。我們來具體說一說:

原子和中子的衰變

原子的衰變,實際上和原子核是有關的,說白了就是原子核的衰變。這種衰變本質上其實分兩種,一種和強相互作用有關,被我們叫做α衰變,另外一種和弱相互作用有關,被我們叫做β衰變,他們都會伴隨著強烈的放射性。

我們先從α衰變說起,我們都知道原子和由原子核和電子構成的,而原子核內有質子和中子。

但是很多元素的原子中的原子核都不太穩定,這個時候就會發出一個氦核,這個氦核是由2個質子和兩個中子構成的,也被我們叫做α粒子。

常見的就是鈾-238通過α衰變,衰變成釷-234。

那為什麼會發生α衰變呢?

這就要說到強相互作用了,我們要知道的是其實中子和質子是由夸克構成的。

把夸克束縛在質子和中子內的就是強相互作用,依靠著膠子來實現傳遞。就有點像用繩子把小球綁在了一起,這裡的膠子就類似於繩子,夸克就類似於小球。

這其實是兩種強相互作用中的一種,另一種強相互作用是靠介子來實現的。介子會把質子和中子束縛在原子核內,因此,強力的尺度是在10^-15m的尺度內。

但是質子和中子少的時候還好,如果質子和中子數量特別多,那這個原子核就會不太穩定,就有一定的概率沒辦法介子束縛住質子和中子,於是就會發生α衰變。

除了這種方式,還有一種β衰變,這種和弱相互作用有關。這種衰變主要發生在中子上,也就是在弱相互作用下,中子發生衰變,生成質子、電子、中微子的過程。

所以,β衰變也會使得原子序數發生改變。在粒子物理標準模型中,傳遞弱相互作用的是Z玻色子和W玻色子,發生β衰變的概率其實很低,這是因為在原子核內,中子特別穩定。

比如:碳14原子發生衰變。

而自由的不在原子核內的中子很容易發生衰變,大概也就是 15分鐘。

所以,我們來總結一下,原子的衰變本質上是原子核衰變,這會改變原子序數。原子核的衰變分兩種,一種是α衰變,釋放出一個氦核;一種是β衰變,釋放出一個電子。而在中子的衰變實際上就是β衰變,在原子核內中子一般比較穩定不容易發生衰變,而自由的中子就不太穩定,15分鐘就會發生衰變。而不同的原子其實是具有不同的半衰期的。

質子會發衰變麼?

質子實際上會衰變,不過這裡指的是自由的質子,而不是在原子核內的質子。自由的質子會發生β+衰變反應,生成中子、正電子、電子中微子。

至於原子核內的質子至今也沒有發現過發生衰變的跡象。

有些科學家把微觀粒子進行了區別,有重子,輕子,玻色子等。他們認為質子的重子數應該是守恆的,所以質子應該不會衰變成其他的粒子,因為質子已經是最輕的重子。我們要知道的是,衰變實際上是遵循能量最低原理的,意思是說,能量有從高往低的趨勢,就像水從高處往低處流一個道理。根據相對論,我們知道質量和能量是一回事,是一個東西的兩個參量。因此,質量對應能量,能量對應質量,可以用E=mc^2進行計算得到。質子是質量最輕的重子,這說明它就是能量最低的重子,所以如果重子數守恆,質子理論上是沒辦法往下衰變成其他重子。

也有一些科學家提出了一個假說,他們認為質子有可能會衰變成更輕的次原子粒子。比如:質子發生衰變生成中性π介子和正電子。可惜,這並沒有獲得任何的實驗觀測的證據。

因此,對於質子的衰變,我們現在還無法下定論。

電子的衰變

至於電子的衰變,實際上,電子是基本粒子,是輕子。理論上,它是不可以再切分,並且不可能衰變的。也就是說,電子沒有半衰期,即使有,那它的半衰期也應該和宇宙的年齡差不多。

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