原子由帶正電的原子核和帶負電的電子構成，而原子核又由質子和中子組成。因為所有的質子都帶有相同的電荷，所以它們會產生相互排斥的靜電力。在這里我們可以使用經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 。由于帶正電的質子在原子核中彼此非?？拷虼怂鼈冎g的靜電排斥力非常大。

但是，使它們結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，只有一個質子的寬度。所以它只在質子、中子內部和之間運行，電子、光子和中微子不受其影響。

這意味著原子核不能過大。強力僅在短距離內起作用，因此隨著原子核變大，給定質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，它產生的排斥力會隨著越來越多的質子而累加在一起。隨著更多質子的加入，這種排斥力迅速壓倒了強大的吸引力，破壞了原子核的穩定性。

最重的穩定元素是鉛，它有 82 個質子。元素中的質子數很重要，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量的質子，但具有不同數量的中子，這些被稱為元素的同位素。它們具有完全相同的化學性質，僅質量不同。穩定的原子核由大致相同數量的質子和中子組成，中子用于提供保持原子核穩定所需的額外強力。如果沒有中子，兩個質子都不能結合在一起以抵抗它們的排斥力。

自由質子是穩定的，但自由中子是不穩定的。自由中子在大約 15 分鐘內衰變成一個質子、一個電子和一個反中微子。但在原子核內，它們保持穩定，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子，從中子衰變為質子獲得的能量低于在原子核中保留一個額外質子所需增加的能量。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射出 α 粒子（本質上是由 2 個質子和 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為質子。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 衰變后產生的激發核發射。

這三種形式的放射性穿透物質的能力截然不同 。α 粒子可以被一張薄紙擋住；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。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量小于鈾被撞擊前的質量，則丟失的質量通過 E=mc2 轉化為能量。

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，產生進一步的裂變，從而產生所謂的鏈式反應。這就是二戰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，就發生了聚變。聚變很難實現，因為質子彼此強烈排斥。在地球熵，只有加熱到數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聚變，量子隧穿在這里也發揮了作用。氫彈通過使用裂變彈的熱量觸發氫聚變，實現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，因為它的質量會在其核心產生巨大的壓力，將氫原子核推到一起。

本文來自微信公眾號：萬象經驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

總結

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