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制不但要鉆進原子核,，甚至要鉆進一個核子當中,，觸及最近的50年，當代物理學的許多研究成果,。

我們盡可能用動畫將此復雜的歷程表現(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習,。

－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部,，這些都確認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驗之后提出了盧瑟福模型,，即原子中的正電荷并不像以往設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,，質量卻達到原子的99.95%以上——這當然不是一個簡單的密度問題,，我們在往期節(jié)目中討論過質量的微觀來源：原子核由中子和質子組成,，中子不帶電，但是質子帶有正電荷,。那么當質子彼此靠近的時候就會表現(xiàn)出極強的靜電斥力,，理應無法構成如此小的原子核才對,。

為了解開這個秘密,，我們的觀察要比質子更加精細：根據目前的標準模型，中子和質子都由更小的夸克組成,，其中質子由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，而質子帶有1單位正電荷,。

乍看起來,，問題又回到了原點，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——這是因為夸克不僅攜帶電荷,，還攜帶了色荷，被比電磁力更強大的強核力約束著,。

就像電荷分正負,，物體在電磁力的作用下總傾向于電平衡，締結成無電荷的整體,；色荷分紅綠藍三種,，夸克在強核力的作用下傾向于色平衡，締結成無色荷的整體,。而且強核力比電磁力強大得多,，所以夸克們不得不先在更小的尺度上締結成無色荷的整體，也就是中子和質子,，再在大得多的尺度上構成無電荷的整體,，也就是與電子結合成原子。

但這忽略了一些相當重要的細節(jié)：色平衡實際上主要負責將夸克禁閉在中子和質子內部,，但中子和質子并無色荷,，為何還能組成原子核呢？

同樣類比在電磁力上：原子或分子雖然達到了電平衡,，但靜電分布并不平均,，原子或分子因為極性互相吸引,，構成堅固的晶體。

同樣,，中子和質子也不是均勻的實體,，其中也存在著漲落的虛夸克，形成了轉瞬及時的介子,，這些介子將利用隨機溢出的強核力將中子和質子粘住——也就形成了各種原子核,。

而這就與我們的主題關系密切了。

介子提供的殘余核力雖然比電磁力強,，但只要超過了1飛米就會迅速衰減,。而當核子數超過210，原子核的直徑就會逼近這個上限,，質子們蠢蠢欲動,，開始隨機逃逸。

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，兩個質子和兩個中子組成的復合粒子,，而少有直接扔掉一個質子或中子,，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米子兩類,，它們具有不同的統(tǒng)計規(guī)律，也就是具有不同的分布方式,。而當基本粒子組成復合粒子的時候,，仍將分成費米子與玻色字兩種類型：有奇數個核子的原子核就是費米子；有偶數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子或中子，原子核就會在費米子與玻色子之間轉變,，這將導致整個原子核的狀態(tài)改變,，是一件大費周章的事情。而拋出一個α粒子,，質子數與中子數各自減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物中的化學鍵,，使蛋白質變性,，DNA突變，給機體帶來巨大的損傷,，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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