什麼是放射性?
要搞清楚這個問題,我們就得先從「放射性」自身的定義入手。放射性是指:
元素從不穩定的原子核自發地放出射線,比較常見的有α射線、β射線、γ射線等,而衰變形成新的,穩定的,元素的原子(衰變產物)而停止放射的現象。
這其實是一種隨機現象。科學家發現原子序數高於83的元素原子都具有放射性。低於83的,有一些元素原子也有。
我們可以把α射線、β射線、γ射線的過程簡單地講一下:
α射線是指原子量較大的元素原子的原子核放出一個氦核,變成一個原子量較小的元素原子,這個α射線就是氦核。
β射線是指原子核放出一個電子和中微子,抓變成另外一個種原子核的過程。這裡的β射線就是電子束。
γ射線是指原子發生衰變時,為了穩定下來,放出的能量。
那α射線、β射線、γ射線和那些因素有關係呢?
其實這三者應該分開說,它們並不是一個問題。
α射線和強相互作用
α射線來自於α衰變。這個α射線其實是氦核,它是由兩個質子和中子組成的。當原子核放出一個氦核後,原子序就會減少兩個單位。我們最常見的其實就是鈾-238通過α衰變形成釷-234。
那α衰變是咋回事呢?
實際上,α衰變是一種核裂變,這當中涉及到α粒子的隧穿效應。
我們要知道的是,之所以能夠形成原子核,主要依賴強相互作用和弱相互作用。其中強相互作用分兩種,
一種是膠子束縛膠子形成質子和中子。膠子就好像是繩子,而夸克就好像是小球,膠子把夸克拴在了一起。
另外一種強相互作用是介子把質子和中子束縛在原子核內。前一種強相互租用特別強,而後一種相對要弱不少。
當一個原子核不夠穩定時,介子傳遞的這種強相互作用就無法束縛住質子和中子,於是就會發生α衰變。
β射線和弱相互作用
強相互作用被我們稱為強核力,而弱相互作用被我們稱為弱核力。β射線其實就和弱相互作用有關。這裡指的是原子核內的中子在弱相互作用下發生衰變,衰變成一個質子、一個電子、中微子。根據粒子物理標準模型,傳遞弱相互作用的是W玻色子和Z玻色子。
常見的有碳14原子發生β衰變,變成氦原子,並釋放出電子和反中微子。
γ射線與能量最低原理
在發生衰變的同時,為了穩定下來,都會釋放出能量,這就是γ射線。那麼問題來了,為什麼總是要放出能量呢?
實際上,包括前面的β衰變以及γ射線,它們都遵循著同一個原理,我們都管整個原理叫做能量最低原理。
那什麼是能量最低原理呢?
說白了就是萬物都是比較懶的,都趨向於穩定,所以常常會通過放出能量,讓自己穩定下來。
我們可以從重新看一下β衰變,通過愛因斯坦的質能等價,我們知道質量裡有能量,能量有質量,它們是一個東西。
而中子的質量正好要比質子、電子、中微子的質量要大,因此對應到能量,中子所有的能量就要比質子、電子、中微子對應的能量要高。根據能量最低原理,要從高能量狀態向低能量狀態轉移,因此才會發生。反之,質子要和電子反應生成中子實際上是非常難的,需要有能量輸入,否則根本做不到。
結合愛因斯坦狹義相對論的質能等價,放出γ射線說白了就是要從不穩定高能量狀態轉變為穩定的低能量狀態。
α衰變之所以不容易發生其實也在這裡,所以α衰變一般要有隧穿效應的因素,隧穿效應其實是微觀世界一種區別於宏觀的現象,在宏觀低速的情況下,你幾乎不可能直接穿過勢能壁壘,但微觀世界並不是這樣,而是有一定的概率穿過勢能壁壘發生反應。
最後,最後我們來總結一下:
放射指的是原子通過衰變,形成新的、穩定的元素的原子的過程,不過這是一個隨機事件。
α衰變和隧穿效應、強相互作用作用有關;
β衰變和弱相互作用、能量最低原理有關;
γ射線則和能量最低原理有關。