我們剛剛在往期節(jié)目里討論了釙和鐳的可怕威力，現(xiàn)在是時候討論一下他們這種“毒性”的來源了——衰變釋放的高能α粒子。
雖然這種變化在宏觀上就能輕易觀測到，但是要了解其中的機(jī)制不但要鉆進(jìn)原子核，甚至要鉆進(jìn)一個核子當(dāng)中，觸及最近的50年，當(dāng)代物理學(xué)的許多研究成果。
我們盡可能用動畫將此復(fù)雜的歷程表現(xiàn)出來，但這終究是一種比喻，那些有興趣的觀眾，希望你們能積極地自我學(xué)習(xí)。
－文字稿－
湯姆遜在1897年發(fā)現(xiàn)了陰極射線，后來被命名為電子；約翰·貝克勒爾和居里夫婦在1896年到1902年之間明確了放射性衰變來自原子內(nèi)部，這些都確認(rèn)了原子并非不可分割。但直到1911年，盧瑟福才在阿爾法粒子散射實(shí)驗(yàn)之后提出了盧瑟福模型，即原子中的正電荷并不像以往設(shè)想的那樣均勻分布在原子之中，而是集中在一個極小的中心區(qū)域中，也就是現(xiàn)在知道的原子核。
說起來非常奇怪，原子核的體積只占原子的幾千億分之一，質(zhì)量卻達(dá)到原子的99.95%以上——這當(dāng)然不是一個簡單的密度問題，我們在往期節(jié)目中討論過質(zhì)量的微觀來源：原子核由中子和質(zhì)子組成，中子不帶電，但是質(zhì)子帶有正電荷。那么當(dāng)質(zhì)子彼此靠近的時候就會表現(xiàn)出極強(qiáng)的靜電斥力，理應(yīng)無法構(gòu)成如此小的原子核才對。
為了解開這個秘密，我們的觀察要比質(zhì)子更加精細(xì)：根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)模型，中子和質(zhì)子都由更小的夸克組成，其中質(zhì)子由2個上夸克和1個下夸克組成，中子由1個上夸克和2個下夸克組成。
夸克是非常打破認(rèn)知的東西：我們常說元電荷是不可分割的電荷單位量，但每個上夸克攜帶 2/3的元電荷，而下夸克攜帶-1/3的元電荷——這才使中子不帶電，而質(zhì)子帶有1單位正電荷。
乍看起來，問題又回到了原點(diǎn)，夸克就算正電荷少一些，但它們距離更近，靜電斥力更大，卻牢不可破地聚合起來，以至于我們從未觀測到游離的夸克——這是因?yàn)榭淇瞬粌H攜帶電荷，還攜帶了色荷，被比電磁力更強(qiáng)大的強(qiáng)核力約束著。
就像電荷分正負(fù)，物體在電磁力的作用下總傾向于電平衡，締結(jié)成無電荷的整體；色荷分紅綠藍(lán)三種，夸克在強(qiáng)核力的作用下傾向于色平衡，締結(jié)成無色荷的整體。而且強(qiáng)核力比電磁力強(qiáng)大得多，所以夸克們不得不先在更小的尺度上締結(jié)成無色荷的整體，也就是中子和質(zhì)子，再在大得多的尺度上構(gòu)成無電荷的整體，也就是與電子結(jié)合成原子。
但這忽略了一些相當(dāng)重要的細(xì)節(jié)：色平衡實(shí)際上主要負(fù)責(zé)將夸克禁閉在中子和質(zhì)子內(nèi)部，但中子和質(zhì)子并無色荷，為何還能組成原子核呢？
同樣類比在電磁力上：原子或分子雖然達(dá)到了電平衡，但靜電分布并不平均，原子或分子因?yàn)闃O性互相吸引，構(gòu)成堅(jiān)固的晶體。
同樣，中子和質(zhì)子也不是均勻的實(shí)體，其中也存在著漲落的虛夸克，形成了轉(zhuǎn)瞬及時的介子，這些介子將利用隨機(jī)溢出的強(qiáng)核力將中子和質(zhì)子粘住——也就形成了各種原子核。
而這就與我們的主題關(guān)系密切了。
介子提供的殘余核力雖然比電磁力強(qiáng)，但只要超過了1飛米就會迅速衰減。而當(dāng)核子數(shù)超過210，原子核的直徑就會逼近這個上限，質(zhì)子們蠢蠢欲動，開始隨機(jī)逃逸。
釙210，鐳226，就是因此具有了放射性，它們的原子核會隨機(jī)拋出一個高能的α粒子，衰變成更小的原子核。
如果要理解為什么是α粒子，兩個質(zhì)子和兩個中子組成的復(fù)合粒子，而少有直接扔掉一個質(zhì)子或中子，那不妨回想我們曾在《汞為什么是液體？》中討論過，基本粒子可以分為玻色字和費(fèi)米子兩類，它們具有不同的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，也就是具有不同的分布方式。而當(dāng)基本粒子組成復(fù)合粒子的時候，仍將分成費(fèi)米子與玻色字兩種類型：有奇數(shù)個核子的原子核就是費(fèi)米子；有偶數(shù)個核子的原子核就是玻色子。
那么顯然了，如果衰變拋出的是一個質(zhì)子或中子，原子核就會在費(fèi)米子與玻色子之間轉(zhuǎn)變，這將導(dǎo)致整個原子核的狀態(tài)改變，是一件大費(fèi)周章的事情。而拋出一個α粒子，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)各自減2，就總是能以最小的變動帶來最大的穩(wěn)定——這就是為什么重的放射性元素最傾向于α衰變。
α衰變釋放的α粒子以5%的光速飛馳，能像炮彈一樣炸毀有機(jī)物中的化學(xué)鍵，使蛋白質(zhì)變性，DNA突變，給機(jī)體帶來巨大的損傷，半衰期越短的α射線源，對人損傷越大，所幸α粒子太重，捕獲電子之后就會成為無害的氦氣，一張紙就能將它擋住。
相比之下，β射線就要鋁箔才能擋住，而γ射線就要嚴(yán)格防御了——但那就是另外兩個弱核力和電磁力的故事了。
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