原子由帶正電的原子核和帶負電的電子構(gòu)成，而原子核又由質(zhì)子和中子組成。因為所有的質(zhì)子都帶有相同的電荷，所以它們會產(chǎn)生相互排斥的靜電力。在這里我們可以使用經(jīng)典的庫侖定律來計算力的大小，這個力與距離“r”的平方成反比 。由于帶正電的質(zhì)子在原子核中彼此非?？拷?，因此它們之間的靜電排斥力非常大。
但是，使它們結(jié)合在一起以抵抗這種巨大排斥力的是一種稱為“強力”的更為強大的力，它比電磁力強約 100 倍。這種力是宇宙中四種基本力之一，但這種力與引力和電磁力不同，它的作用距離非常小，只有一個質(zhì)子的寬度。所以它只在質(zhì)子、中子內(nèi)部和之間運行，電子、光子和中微子不受其影響。
這意味著原子核不能過大。強力僅在短距離內(nèi)起作用，因此隨著原子核變大，給定質(zhì)子或中子的吸引力會迅速減弱。但由于電磁力的范圍是無限的，它產(chǎn)生的排斥力會隨著越來越多的質(zhì)子而累加在一起。隨著更多質(zhì)子的加入，這種排斥力迅速壓倒了強大的吸引力，破壞了原子核的穩(wěn)定性。
最重的穩(wěn)定元素是鉛，它有 82 個質(zhì)子。元素中的質(zhì)子數(shù)很重要，因為它完全 決定了元素的原子特性。給定的元素或原子可以具有相同數(shù)量的質(zhì)子，但具有不同數(shù)量的中子，這些被稱為元素的同位素。它們具有完全相同的化學(xué)性質(zhì)，僅質(zhì)量不同。穩(wěn)定的原子核由大致相同數(shù)量的質(zhì)子和中子組成，中子用于提供保持原子核穩(wěn)定所需的額外強力。如果沒有中子，兩個質(zhì)子都不能結(jié)合在一起以抵抗它們的排斥力。
自由質(zhì)子是穩(wěn)定的，但自由中子是不穩(wěn)定的。自由中子在大約 15 分鐘內(nèi)衰變成一個質(zhì)子、一個電子和一個反中微子。但在原子核內(nèi)，它們保持穩(wěn)定，因為在能量上不利于它們衰變。換句話說，如果周圍有大量其他質(zhì)子，從中子衰變?yōu)橘|(zhì)子獲得的能量低于在原子核中保留一個額外質(zhì)子所需增加的能量。但原子核中這種類型的中子衰變并非不可能，并且可能發(fā)生在富含中子的同位素中。一個原子核的中子不能太少，否則排斥力太大造成原子核就不穩(wěn)定。它也不能有太多的中子，因為最終強力不再能阻止它們衰變，就會形成不同的元素。
講到這里，我們不得不講一下三種形式的天然放射性：α 衰變、β 衰變和伽馬衰變。如果原子核非常大，那么強力幾乎無法將其聚集在一起，在這種情況下它們會發(fā)射出 α 粒子（本質(zhì)上是由 2 個質(zhì)子和 2 個中子組成的氦核）。β 粒子是高能電子，也就是我們上述提到的中子衰變?yōu)橘|(zhì)子。伽馬粒子是一種高能光子，也稱為伽馬射線。伽馬射線通常由在 α 或 β 衰變后產(chǎn)生的激發(fā)核發(fā)射。
這三種形式的放射性穿透物質(zhì)的能力截然不同 。α 粒子可以被一張薄紙擋??；β 粒子可以穿透皮膚，但可以被鋁箔等薄金屬片阻擋；伽馬射線很難阻擋，甚至可以穿透 2.5 厘米厚的鉛。為什么會有這樣的差別？由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的 α 粒子相對較大、較重，因此速度較慢，很容易被擋住。而 β 粒子的速度更快、尺寸更小，因此它們的行進速度要快得多，并且更容易穿透物質(zhì)。伽馬射線完全不帶電，而且以光速運動，所以穿透力很強，這些光子幾乎必須直接撞擊原子核才能停止。
放射性核有一個特征叫作“半衰期”。一定數(shù)量的放射性原子，比如說 16 個原子，其半衰期為 1 周。然后一周后，將剩下 8 個原子。但事實上半衰期是一個統(tǒng)計概念，如果有這 16 個原子，我們無法確定它們會在多久后衰變，我們只能在任何原子在一周時間內(nèi)有 50% 的機會衰變。
雖然我們無法知道它們何時衰變，但可以控制它們裂變。如果一個大原子核，如鈾的同位素 U-235，被一個中子擊中，它就會分裂成兩個較小的原子核，這稱為核裂變。如果兩個較小的原子核的總質(zhì)量小于鈾被撞擊前的質(zhì)量，則丟失的質(zhì)量通過 E=mc2 轉(zhuǎn)化為能量。
對于鈾和钚的某些同位素，當它們被中子擊中時，除了分裂成兩個質(zhì)量較低的原子核外，也會拋出三個中子。如果有足夠高濃度的可裂變核，那么三個被拋出的中子就有可能撞擊其他原子核，產(chǎn)生進一步的裂變，從而產(chǎn)生所謂的鏈式反應(yīng)。這就是二戰(zhàn)期間投在廣島和長崎的原子彈背后的機制。
裂變的對立面是聚變。當兩個小原子核靠得足夠近并融合成一個原子核時，就發(fā)生了聚變。聚變很難實現(xiàn)，因為質(zhì)子彼此強烈排斥。在地球熵，只有加熱到數(shù)億攝氏度的氣體才能使原子移動得足夠快，以至于它們可以靠得足夠近以實現(xiàn)聚變，量子隧穿在這里也發(fā)揮了作用。氫彈通過使用裂變彈的熱量觸發(fā)氫聚變，實現(xiàn)非常高水平的能量釋放。
太陽由氫聚變提供動力，但其機制與氫彈截然不同。它幾乎不需要高溫，因為它的質(zhì)量會在其核心產(chǎn)生巨大的壓力，將氫原子核推到一起。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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