放射性衰变

1932年，詹姆斯·查德威克用阿尔法粒子轰击铍时，发现了原子的新组成成分：中子。就这样，原子核的秘密被揭开了：原子是由质子和中子构成的原子核，以及绕着原子核运动的核外电子组成的。

但接下来，我们要面对的是一个更具挑战性的谜题。众所周知，正电荷之间会互相排斥（毕竟，这是卢瑟福发现原子核的基础），那么为什么原子核中带正电的质子不会飞离彼此呢？答案是，它们确实想飞离彼此。质子“感受”到的来自原子核内外的静电力是相同的。它们停留在体积较小的原子核内，这意味着 它们还受到另一种更强大的力的作用，这种力阻止它们离开原子核。考虑一下每种元素的质量较大的成员，可以找到有关这种力的一条线索，这些成员被称为“同位素”。原子核内质子数相同（这使它们具有相同的化学性质），而中子数不同（因此具有不同的质量）的两个原子互为同位素。氢元素的同位素中都含有一个质子，并且含有0、1或2个中子。但是，氦或其他任何元素的同位素，都不能在拥有两个或更多质子的同时而没有中子。这表明，原子核内的中子对于使原子核保持稳定的“强力”的形成，起到举足轻重的作用（这里的“强力”就是我们在第5章中提到的“强力”）。

这种“强力”比电磁作用强多少呢？如果这种力比静电力大10倍，将很难形成像硅（含有14个质子）或者钛（含有22个质子）这样的重元素。如果这种力比静电力强1 000倍，那么我们可能会看到原子核中有几百个质子的元素，但我们没有看到这种情况。地球上发现的最重的天然元素是有92个质子的铀，这表明这种能够维持原子核稳定的强吸引力，大约比质子之间的静电力强100倍。

可是，铀也是不稳定的，如果你等待足够长的时间，所有的铀都会经过所谓的“放射性衰变”，转变为原子量较小的元素。铅有82个质子和125个中子，是不会衰变的原子量最大的元素，因此是稳定的。你可以构建更重的原子核，但如果质子和中子搭建的“积木塔”过高（每多出一个质子，就意味着要有更多的中子使它们聚在一起），轻微的扰动就会使塔倒塌。一旦发生这种情况，原子核将以高能光子（伽马射线）或高速亚原子粒子（如电子、质子或阿尔法粒子）的形式发出辐射，损失能量。如果某放射性原子核的半衰期为一年，那么假设开始时我有100万个原子，一年后我大概会剩下50万个原子。衰变速率与原子的年龄无关，在接下来的一年，余下的原子中又有50%将会发生衰变。也就是说，最开始的100万个原子，到一年后将变成50万个，两年后变成25万个，三年后变成12.5万个，以此类推。

由于确知原子核的半衰期，我们可以用碳元素年代测定法去测量考古文物所属的年代。假设开始时我们有100万个不稳定的碳同位素。普通的碳原子核内有6个质子和6个中子（相应地，有6个电子处于量子力学“轨道”上），是一种已知的非常稳定的元素。因为其原子核内有12个粒子，这种形式的碳也被称为“碳12”。有时，宇宙射线与空气中的氮原子发生碰撞会产生一种具有6个质子和8个中子的碳的同位素。因为它具有与碳12相同的质子数和电子数，这种更重的同位素的化学性质与普通碳原子相同。然而，这种含有8个中子的碳原子（称为“碳14”）是不稳定的，会衰变为氮14。

这种罕见的碳14由宇宙射线的随机碰撞不断地被制造出来，也不断地衰变成另一种元素。世界上大约97%的碳是普通的碳12，3%的碳是更重且不稳定的碳14。这一比率在我们吃的食物、穿的衣服以及几乎所有含有碳原子的食物中都是相同的。因此，我们身体中约有3%的碳是不稳定的碳14。碳14变为铍元素的半衰期大约为5 700年。因此，在一般情况下，我们通过碳14在饮食中的随机分布来摄取它，而且，当我们代谢体内的老旧细胞时，也会排出碳14。这个过程随着我们生命的结束而停止（地球表面的宇宙射线通量很低，我们无须担心尸体内会产生碳14）。在死亡时，我们的身体、皮肤、组织和骨骼中的碳14含量维持在3%左右的水平。如果一位未来的考古学家发现了我们的骨骼，测量了碳14含量并发现它只是碳12含量的1.5%，那么她可以自信地宣称我们大约死于5 700年前。如果碳14的含量是碳12的0.75%，表明已经过了两个半衰期，那么我们大约死于11 400年前。按照这种方法，任何包含有机物质的材料，无论是古代的骨头还是“都灵裹尸布”，都可以根据它的碳14含量来判断它的年代。威拉德·利比利用陈年佳酿得到了关于氚衰变的全新结果，他也因发现了碳14年代测定法而获得1960年的诺贝尔化学奖。中子提供的强力可以克服静电力，把质子和中子结合在一起，从而使原子核保持稳定。如果没有中子，静电力会促使质子飞离原子核。质子也表现出强力，但如果没有中子，仅由质子组成的原子核将难以保持稳定。原子核外的中子本身并不稳定，实验室中一个单独的中子会衰变成一个质子和一个电子，其半衰期约为10.5分钟。由此生成的电子的移动速度非常接近光速，如果这个过程发生在原子核内部，就是不稳定同位素发射贝塔射线的过程。

一个孤立体系的质量和能量在任何过程中都必须保持不变，所以一个“静止”的中子只能衰变成质量小于中子的基本粒子。因此，一个中子会衰变成一个质量稍小的质子，而一个“静止”的质子则不能衰变成一个更重的中子。因为中子是电中性的，而质子带有正电荷，为了保证原子核衰变前后总电荷数保持不变（在物理学中，除了能量守恒定律和角动量守恒定律之外，还有一条我们前面未提及的原理，即“电荷守恒定律”。它也是自然界的普遍规律之一，因为电荷在任何过程中都不能被创造或消灭），在衰变过程中必须产生一个带负电荷的电子。一个电子大约是一个质子质量的两千分之一，小于中子和质子间的质量差，因增加一个电子仍然符合质量守恒定律。尽管一个中子衰变成一个质子和一个电子，意味着在衰变过程中质量和电荷均守恒，但是测量质子和高速电子（“贝塔射线”）的动能并和中子的剩余能量加总，结果发现一些能量在衰变过程中消失了。虽然不是很多，但足以引起重视，并带来麻烦。20世纪20年代末，当物理学家发现了这种现象，并认识到它似乎违反了能量守恒定律时，他们面临两个选择：第一，放弃能量守恒定律，至少在中子衰变的问题上；第二，发明一种当时的仪器测量不到，但能带走“消失的能量”的神奇粒子。1930年，沃尔夫冈·泡利建议物理学界选择第二种。恩利克·费米认为，这种“幽灵粒子”必须呈电中性，且质量很小或者为零，他将这种粒子命名为“小的中子”，或“中微子”。最终，人们建造了探测器来探测这种粒子，并于1956年证实了它们的存在。这些粒子不仅真实存在，而且是宇宙中最普遍的粒子。中微子与物质间的相互作用是由仅为电磁作用力的一千亿分之一的弱核力决定的。因此，中微子能够轻易穿过普通物质而几乎不与之发生反应（长度超过两光年的铅，才能阻挡住一个中微子）。如果你伸出大拇指，那么在1秒钟内将有超过100万个中微子穿过你的指甲。