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    撰文:张世杰     2010年9月


    这篇文章是关于电离辐射如何由放射性衰变中产生出来,如果你想知道有关电离辐射的介绍,请参考香港天文台有关网页:
    http://www.weather.gov.hk/education/dbcp/radiation/chi/r7.htm

    α衰变是一些较重(即拥有较大原子数)的原子核透过放射一个α粒子,变成较轻(即拥有较小原子数)原子核的分裂过程。被放射出来的α粒子(或α辐射)是一 个拥有两个中子和两个质子的氦-4原子核。在地球大气中的氦几乎全部都是由一些较重的放射性核素如铀-238和钍-234,在α衰变中放射出来的副产物。 原子核中有两种自然力和α衰变有关。 第一种力是α粒子内的质子和原子核内其余的质子之间的电磁排斥力,它是使原子核变得不稳定的原因。第二种力是将核子(包括质子和中子)限制在细小核心的 『强』吸引力1。这两种力之间的平衡构成了一个井形的核子屏障,禁止α粒子离开原子核,就像一道牢不可破 的坚固墙壁(见下图)。

    在一般情形下,一个α粒子是没有足够的能量越过核屏障的。但是难题就来了:如果α粒子不能越过屏障,为何它能够在α衰变中从原子核中逃脱出来呢?这个问题 是由理论物理学家乔治‧伽莫夫(George Gamow)在1929年利用量子理论解决的,答案就是α粒子能够穿越墙壁!原来在微观世界中,粒子是能够穿透屏障的。这个奇异的现象称为量子穿隧效应 2,它发生的机会率虽然极小,但却不等如零!由于原子核内的α粒子不断以高频率撞击核屏 障,它最终都能够逃离原子核。虽然穿隧的机会率很小,但是我们并不 需要等待很长的时间,才能观测到一次放射性衰变。这是因为在小量的放射性物质内,已经有数量庞大的放射性核素。举例来说,每毫克的铀-238物质内包含了 大约2.5x1018个原子核,所以平均每秒钟便有4亿个原子核发生分裂!

     
1
图∶一个被囚禁的α粒子会不断撞击核屏障的墙壁。
由于α粒子穿透屏障的机会率不等于零,所以它最终都会逃离原子核。

    注:

  1. 这里的『强』吸引力所指的是强核力,是自然界四种基础力之中最强的。在原子核中 它比电磁力强60倍,但是它的有效范围也短很多。
  2. 量子穿隧效应跟粒子的波动性质有关。根据量子力学,在任何区域内找到某个粒子的机会率,是与这个粒子的波幅的平 方在这个区域内的积分成正比。由于原子核内 的α粒子的量子波延伸到屏障外的区域,所以在外面找到它的机会率并不等于零。

    参考:

  1. "Alpha decay",维基百科。
  2. "The New Quantum Universe", by T. Hey and P. Walters, Cambridge University Press, 2003.
  3. "Introductory Nuclear Physics", by K.S. Krane, Wiley, 1987.
  4. "Introduction to Nuclear and Particle Physics", by A. Das and T. Ferbel, John Wiley and Sons, 1993.


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最近修订日期: <2014年4月1日>