教了几年书,也读了多年书,都没有想过问这个问题。也许很多年前问过,但已忘记了。

在网上查了些资料,自认为以下这些理论是比较易懂的。

刚好查到知乎上有个这样的问答:

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(1)

这个问题应该分两个步骤来解释:

第一个问题、为什么有些原子会存在半衰期

有位博主解释得不错:

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(2)

原子存在半衰期,是由于该原子的原子核不稳定,然后通过衰变的形式转化为其他原子。

半衰期

人类目前发现的化学元素有118种,每种元素还拥有同位素,其中很多同位素都具有半衰期,时间从几纳秒到几十亿年不等;比如碳-14的半衰期为5730±40年,指的是一定量的碳-14,在5730年后将有一半发生衰变,再过5730年后,将有3/4的发生衰变。

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(3)

碳-14的半衰期

半衰期是一个统计数值,只针对大量的衰变物有效,对于单个原子来说,半衰期没有任何意义,因为科学家根本无法预言单个原子的衰变时间。

衰变原因

原子核由质子和中子构成,它们之间通过强相互作用连接,由于质子带正电荷,所以质子间会产生排斥力,好在强力是电磁力的100倍,所以原子核不会因为质子间的排斥力轻易解体。

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(4)

四种相互作用

但问题在于强力是短程力,只在10^-15米的尺度有效,而电磁力是长程力,可以无限叠加,所以当原子核的质子数目过多后,质子间的排斥力将会越来越大,导致原子核分裂,比如82号化学元素铅,就是最大的非放射性元素,然后越大的化学元素,半衰期基本越短。

元素衰变和自身的能量息息相关,就如一个小球,我们放在山顶、平面和山底时,由于重力势能,山顶的能量最高也最容易失去平衡,而山底的能量最低也最稳定。

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(5)

原子核中也存在类似的能量关系,原子核中的平均核子质量越高越不稳定,也最容易发生衰变,半衰期也越短,反之亦然。

在所有化学元素中,铁-56的平均核子质量是最低的,所以铁-56是最稳定的原子,在宇宙中,恒星聚变的终极产物就是铁-56,重元素衰变也是朝着铁-56靠拢。

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(6)

而单个原子的衰变由量子力学概率决定了,我们可以计算出单个原子的衰变概率,但是无法预言单个原子衰变时间,大量的衰变原子放在一起,统计学就可以给出一个半衰期。

第二个问题、为什么半衰期是稳定的

这个问题,收录知乎的两个回答:

第一位答主

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(7)

虽然过去了好几年,我还是回答一下:首先题主(提问时高二,现在应该大二了)提的问题非常好、很深刻!但比较遗憾的是十几个回答虽各有价值,但针对性不太强。

我试着针对几个层面都做一下回答。

1.原始问题层面

准确的提法应该是:原子核为什么会有稳定的半衰期

?(衰变的是原子核;而限定词”稳定“是因为数学上可以对很多统计现象定义半衰期,却大多并不稳定)

1.1 首先叙述下问题背景作为理解上的前提共识。

原子核的衰变分α衰变和β衰变两大类,后者又细分为三种:

a) α衰变: 原子核中跑出来α粒子(即He核),核内少了2个质子和2个中子;

b) β 衰变: 原子核中跑出来β 粒子(即正电子),核内少了1个质子、多了1个中子;

c) β-衰变: 原子核中跑出来β-粒子(即电子),核内少了1个中子、多了1个质子;

d) 轨道电子俘获: 原子核俘获一个核外轨道电子,核内少了1个质子、多了一个中子。

1.2 其次概念辨析一下原子核的特征及其改变。

原子核首先有(中子数,质子数)这一特征,由于最小作用原理,这两个数字的二元组即作为原子核的类别。也就是说两个原子核的中子数和质子数都相等时,便为同一种原子核;逻辑上中子和质子间可能有着复杂多样的组合堆叠或作用方式,但是固定数目的中子和质子在一起时有着唯一的最佳组合状态。

所谓衰变,就是原子核的数值特征二元组(中子数,质子数)发生了变化。

1.3 我们可以从4种衰变可以看出,第四种轨道电子俘获依赖于核外电子

的情况。那么这种原子核衰变的半衰期便是可以随环境变化甚至人为改变的。

在2006年《欧洲物理杂志A:强子与核

》发表了B.Wang等人的文章,已经证明,通过用钯原子包围铍原子,铍-7

的电子俘获半衰期延长了0.9%。虽然改变幅度很小,但已经可以确定它明显有别于前三种不受核外因素影响的衰变。

Wang, B., Yan, S., Limata, B.et al.Change of the7Be electron capture half-life in metallic environments.Eur. Phys. J. A28,375–377 (2006). https://doi.org/10.1140/epja/i2006-10068-x

2.对题主核心问题的解答

现在终于可以聚焦问题的核心了:即原子核的前三种衰变为什么会有稳定的半衰期呢?

(为了后文叙述上的简便,还必须声明,具体观测和测量时同一原子核半衰期的测量值差异仅作为测量误差,而非作为反例证明半衰期不固定。)

有几位答主提及了单个原子核衰变的不确定性,目前量子科学前沿认知也确实如此。

但从数学上来说,对于大量原子核来说,这种不确定性的大小及其随时间的分布却是确定的,可以用概率分布来描述。从而这个衰变概率分布便对应着一个很简洁、很好用的特征,即半衰期。

其中关键点不是这个概率分布具体表达或显式公式是什么,而在于它跟过去无关。也就是说一个原子核衰变的概率跟它已经活了多久没关系。这本质上是前面原子核可以表示为(中子数,质子数)的一个反映,因为这两个数字中没有原子核的寿命或生活史。

于是,原子核前三类衰变的半衰期,实际上是二维正整数笛卡尔空间NxN上的一个函数。

再应用于题主的数值示例,实际上是逆向理解半衰期这个概念,即第一个半衰期的起点到终点,半衰是指终点处原子核数目是起点处的一半,而第二个半衰期的起点到终点,半衰仍然是指其终点处原子核数目是其起点处的一半。这便是纯粹的文字理解和数学计算了,反而是很多不问为什么的人很拿手的。

3.关于提问与回答

一般来说,问题并不总是有完美的答案。所以回答时,除了给出直接答案外,热心人也可以给出获得答案的线索。比如等你长大了便懂了、等你上了大学便能学到更专业的知识了、或者这需要一个专家教授来回答。也可能是给出一个文献的题目或资料的网址链接等说,你要的答案在这里面。

对于题主的这个问题,并不真的需要大学里的量子力学、相对论之类的高深知识。

实际上我觉得反映的是,在科学课程中缺乏科学思维的专门训练,缺乏科学方法特别是数学方法的举一反三和触类旁通。高新科技中确实包含很多高深复杂的知识,但大多仍是普通逻辑和基本知识可以辨析清楚和理解到位的;知识的专门化实际上是扁平化,让新入门者和继承者能够快速掌握应用乃至发展它。

4.题外话

我来到这儿是因为日本政府在2021年4月13日正式决定福岛核事故

处理的废水将排放到太平洋中,而为此查阅一些相关资料。希望人们(高中生乃至普罗大众)能理解核废水、太平洋流、放射物

的生物富集等知识,从而能恰当地发出舆论声音、做出经济选择,乃至形成政治方向。

第二位答主

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(8)

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(9)

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(10)

原子为什么不停息(为什么原子为什么会有半衰期)(11)



特别同意第一位答主的这一段话:

实际上我觉得反映的是,在科学课程中缺乏科学思维的专门训练,缺乏科学方法特别是数学方法的举一反三和触类旁通。高新科技中确实包含很多高深复杂的知识,但大多仍是普通逻辑和基本知识可以辨析清楚和理解到位的;知识的专门化实际上是扁平化,让新入门者和继承者能够快速掌握应用乃至发展它。,