科学认识君的《通俗物理100课》系列
【第12课:弱力】
除了妇孺皆知的引力,自然界还存在其他三种性质的力,分别是强相互作用力,电磁作用力,弱力。这三种力和引力一起构成了自然世界的四大基本作用力。
除此之外,我们暂未发现第五种,第六种力......
在四大基本作用力中,最晚发现也是最易被忽视的就是弱力。弱力其实并不是最弱的力,它至少比引力强。生活中我们经常接触电磁信号,磁铁等,对电磁力也是熟悉不过了。强力顾名思义就是最强的力,正是由于强力的存在,才把夸克们拉拢在一起并组成了质子和中子。
强相互作用力
我们最陌生的就是弱力,一般科普文只是提及一下弱力与β衰变有关,就草草了事了,显得弱力并不重要似的。其实任何一种力都很重要,我们经常听到的核辐射就是弱力作用的结果。
众所周知,原子由原子核和核外电子构成,再回想一下元素周期表,原子核中的质子每增加一个(氢除外),其原子序数就增加上升一位。
原子核之所以带正电在于质子带正电,原子序数越大,意味着原子核内的质子数越多,并导致核外电子越多。为了使原子整体呈现电中性,核外电子的数目只能同步跟随质子的数目,这样才能抵消掉质子的电性。
原子核中质子数的增多,势必导致核外电子数目的增多。一群电子围绕原子核旋转,就好像小弟们跟着大哥混一样。如果跟着大哥混的小哥们越来越多,大哥和每个小弟之间的关系就会越来越生疏。如果小弟们太多了,大哥也就很难管了,于是离心离德的事就出现了。
核外电子越多,原子核越难束缚住它们。电子们总是蠢蠢欲动地想着逃脱,而原子核总想笼络住它们,这就导致原子结构不稳定了。
一般情况下,原子序数在83以上的元素都不稳定,原子数为83的元素师铋,也就是说铋以上的元素原子结构并不稳定,毕竟核外电子太多了。这也是科学家喜欢用铀、钚这样的元素做核裂变原料的原因了,因为它们的原子结构很容易被拆散。
原子核该如何化解原子结构的不稳定性?核外电子太多了,原子核笼络不住躁动的电子。俗话说得好,强扭的瓜不甜,那原子核就放人家电子一条生路算了,让人家走吧!原子核就像皇帝,只求掌控的原子帝国稳定就行,至于核外电子的“死活”,它才不在乎呢。
既然核外的电子闹的凶,那就放它们走,只要保证原子帝国稳定就行!原子核还比较“鸡贼”,放人家走也显得自己太被动了,还不如自己主动改革,落个好名声。
原子核是这么“想”的:把闹事的电子都轰走,其余的都是良民,好维稳。只要自己减少几个带正电的质子,那么核外电子势必就会相应地离开几个电子。这样不仅可以达到目的,还显得自己很主动的“改革”了。
一开始核外电子闹的凶,于是起初改革力度就比较大,原子核会直接扔出一个氦-4,其实就是扔出去了两个质子和两个中子,同时核外电子也就脱离了两个。
α衰变
原子核这时候再看看核外电子的反应,如果大家不闹了,就证明原子结构稳定了,如果还闹就继续扔质子,直到稳定。
其实这就是α衰变,有时候原子核衰变一次就让原子稳定了,而有时候得多衰变几次才能稳定。
α衰变其实就是放出质子和中子,它们的能量并不大,但是电离性强,对人体的危害没有其他辐射大。