科學(xué)認(rèn)識君的《通俗物理100課》系列

【第12課：弱力】

除了婦孺皆知的引力，自然界還存在其他三種性質(zhì)的力，分別是強相互作用力，電磁作用力，弱力。這三種力和引力一起構(gòu)成了自然世界的四大基本作用力。

除此之外，我們暫未發(fā)現(xiàn)第五種，第六種力......

在四大基本作用力中，最晚發(fā)現(xiàn)也是最易被忽視的就是弱力。弱力其實并不是最弱的力，它至少比引力強。生活中我們經(jīng)常接觸電磁信號，磁鐵等，對電磁力也是熟悉不過了。強力顧名思義就是最強的力，正是由于強力的存在，才把夸克們拉攏在一起并組成了質(zhì)子和中子。

我們最陌生的就是弱力，一般科普文只是提及一下弱力與β衰變有關(guān)，就草草了事了，顯得弱力并不重要似的。其實任何一種力都很重要，我們經(jīng)常聽到的核輻射就是弱力作用的結(jié)果。

眾所周知，原子由原子核和核外電子構(gòu)成，再回想一下元素周期表，原子核中的質(zhì)子每增加一個(氫除外)，其原子序數(shù)就增加上升一位。

原子核之所以帶正電在于質(zhì)子帶正電，原子序數(shù)越大，意味著原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)越多，并導(dǎo)致核外電子越多。為了使原子整體呈現(xiàn)電中性，核外電子的數(shù)目只能同步跟隨質(zhì)子的數(shù)目，這樣才能抵消掉質(zhì)子的電性。

原子核中質(zhì)子數(shù)的增多，勢必導(dǎo)致核外電子數(shù)目的增多。一群電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，就好像小弟們跟著大哥混一樣。如果跟著大哥混的小哥們越來越多，大哥和每個小弟之間的關(guān)系就會越來越生疏。如果小弟們太多了，大哥也就很難管了，于是離心離德的事就出現(xiàn)了。

核外電子越多，原子核越難束縛住它們。電子們總是蠢蠢欲動地想著逃脫，而原子核總想籠絡(luò)住它們，這就導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定了。

一般情況下，原子序數(shù)在83以上的元素都不穩(wěn)定，原子數(shù)為83的元素師鉍，也就是說鉍以上的元素原子結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，畢竟核外電子太多了。這也是科學(xué)家喜歡用鈾、钚這樣的元素做核裂變原料的原因了，因為它們的原子結(jié)構(gòu)很容易被拆散。

原子核該如何化解原子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性？

核外電子太多了，原子核籠絡(luò)不住躁動的電子。俗話說得好，強扭的瓜不甜，那原子核就放人家電子一條生路算了，讓人家走吧！原子核就像皇帝，只求掌控的原子帝國穩(wěn)定就行，至于核外電子的“死活”，它才不在乎呢。

既然核外的電子鬧的兇，那就放它們走，只要保證原子帝國穩(wěn)定就行！原子核還比較“雞賊”，放人家走也顯得自己太被動了，還不如自己主動改革，落個好名聲。

原子核是這么“想”的：把鬧事的電子都轟走，其余的都是良民，好維穩(wěn)。只要自己減少幾個帶正電的質(zhì)子，那么核外電子勢必就會相應(yīng)地離開幾個電子。這樣不僅可以達(dá)到目的，還顯得自己很主動的“改革”了。

一開始核外電子鬧的兇，于是起初改革力度就比較大，原子核會直接扔出一個氦-4，其實就是扔出去了兩個質(zhì)子和兩個中子，同時核外電子也就脫離了兩個。

原子核這時候再看看核外電子的反應(yīng)，如果大家不鬧了，就證明原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定了，如果還鬧就繼續(xù)扔質(zhì)子，直到穩(wěn)定。

其實這就是α衰變，有時候原子核衰變一次就讓原子穩(wěn)定了，而有時候得多衰變幾次才能穩(wěn)定。

α衰變其實就是放出質(zhì)子和中子，它們的能量并不大，但是電離性強，對人體的危害沒有其他輻射大。

原子核也不傻，如果原子結(jié)構(gòu)僅僅只是稍微地不穩(wěn)定，那么它就完全沒有必要直接釋放質(zhì)子來穩(wěn)定原子結(jié)構(gòu)，這種做損失就有點大。

原子核會想，如果僅有一個電子“鬧事”，那么就沒必要通過α衰變釋放兩個質(zhì)子來維穩(wěn)。它可以直接把那一個“鬧事”核外電子抓住，也就是把它收買了，直接讓它與原子核內(nèi)的質(zhì)子中和掉就完事了。

而大部分時候，原子核是抓不住電子的。那么就得想其他辦法

反正這時候原子核可不想直接通過拋出兩個質(zhì)子和中子的方式維穩(wěn)了，因為這樣只會讓原子核越來越輕，得不償失。

那能不能讓質(zhì)子變成中子呢？這樣既能保持原子核的總質(zhì)量不變，還會讓質(zhì)子數(shù)減少，反正質(zhì)子減少之后變成了中子(會釋放正電子或電子，但是電子質(zhì)量相較于質(zhì)子可以忽略不計)，還在原子核內(nèi)，這就叫肥水不流外人田。

其實質(zhì)子和中子是可以相互轉(zhuǎn)化的。因為質(zhì)子和中子都是由夸克構(gòu)成的，夸克的不同組合形式就體現(xiàn)出質(zhì)子或中子。

要讓質(zhì)子變成中子可以從夸克層面入手

夸克之間是依靠強相互作用力捆在一起并組成了質(zhì)子或中子。不要指望用把夸克打亂再重新組合的方式讓質(zhì)子變成中子，因為強相互作用太強大了。

但夸克分有六種“味”，最常見的兩個“味”是上夸克和下夸克。

質(zhì)子是由兩個上夸克和一個下夸克構(gòu)成，中子是由一個上夸克和兩個下夸克構(gòu)成。

上、下夸克之所以不同，在于“味”不同。要是直接可以變“味”，那么上、下夸克就可以自由切換了。一個下夸克變“味”之后就成了上夸克。

讓質(zhì)子與中子互換，在邏輯上有兩種方式

第一種就是：把質(zhì)子的一個上夸克分出來給中子；于此同時，中子把它的一個下夸克再還給質(zhì)子，這樣質(zhì)子和中子就完美換身了。但事與愿違，由于強相互作用力，你休想把夸克分開?？淇酥g距離越遠(yuǎn)，其強力越大，這就是夸克禁閉效應(yīng)。

第一種方式在邏輯上行得通，但理論上卻行不通。

第二種方式：我們可以直接讓上夸克變“味”，讓它變成下夸克。而控制這種變“味”的力量就弱相互作用力。

通過弱相互作用，質(zhì)子內(nèi)的一個上夸克變“味”成一個下夸克，則質(zhì)子變成了中子，并釋放正電子，這是正β衰變。正β衰變就是釋放了正電子(電子反物質(zhì))，所以才得名正β衰變。

而很多時候，原子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定并不是因為核外電子太多了，而是核外電子少了。這個時候就需要增加質(zhì)子數(shù)來穩(wěn)定原子結(jié)構(gòu)。

同樣地，增加質(zhì)子數(shù)依舊可以通過夸克“味”變來進(jìn)行。比如讓中子(一個上夸克，兩個下夸克)的一個下夸克通過弱力變成一個上夸克，這樣中子就變成了質(zhì)子(兩個上夸克，一個下夸克)了。并釋放電子(β粒子)和反電子中微子。

這種情況下釋放的電子也稱β粒子，其速度達(dá)到了光速的90%。由于β粒子是帶負(fù)電的電子，所以這種衰變也叫負(fù)β衰變。并且β衰變以負(fù)β衰變?yōu)橹鳌?/p>

造成β衰變最常見的形式是通過弱力引起的夸克“味”變，進(jìn)而導(dǎo)致中子與質(zhì)子互換，并釋放β粒子。所以我們也常說β衰變是弱力的主要體現(xiàn)方式。

還有一種衰變是γ射線，其本質(zhì)就是高能電磁波。

γ射線能量最強，穿過人體會導(dǎo)致DNA的堿基對序列紊亂，導(dǎo)致基因錯位表達(dá)。這就是核輻射的一種體現(xiàn)。

不管是哪種衰變，其本質(zhì)無非是原子核為了使原子結(jié)構(gòu)達(dá)到最穩(wěn)狀態(tài)而采用的手段。這就是元素的放射性，或者叫輻射性。