原子、質子、中子、電子等微觀粒子有壽命嗎?答案顛覆三觀

如何評判一個粒子的壽命?

如今我們通常認為古希臘是科學的發源地,在古希臘有個學者叫德謨克利特,他提出了著名的原子論,他認為宇宙是由原子和虛空構成的,其中原子的定義就是不可再分的粒子。德謨克利特的“原子”其實我們現在的原子定義已經不一樣了,而且他僅僅是從哲學思辨的角度來詮釋。

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但是德謨克利特其實給我們提供了一個很重要的思路,構成物質的基本單位其實可以從可不可再分來切入。“原子、質子、中子、電子等粒子”是不是存在著壽命,其實也是遵循著這條規律。我們都知道,原子是由電子和原子核構成的,其中電子已經不可再分了,而原子核又是由質子和中子構成,質子和中子並非是不可再分的,而是可以繼續往下分,還能再分為夸克。

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按照目前的理論來看,夸克和電子已經是不可再分的。因此,科學家下了這麼一個定義,他們把像夸克、電子這一類粒子稱為基本粒子,是不可再分的。其中包括夸克家族和輕子家族,輕子家族有電子、μ子、τ子和中微子。

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而粒子物理標準模型中的光子、Z玻色子、W玻色子、膠子億希格斯玻色子,實際上是傳遞作用的,是基本粒子的粘合劑,正是有了它們才能夠成粒子。

基本粒子的壽命

透過這樣的方式,我們把原子、原子核、質子、中子和夸克家族、輕子家族的粒子區分開。那我們就先來說說基本粒子的壽命。按照目前的理論,它們都是沒有壽命的,或者我們可以理解成它們宇宙同生同滅,宇宙的壽命就是這些基本粒子的壽命。

就拿夸克來說,夸克是被強相互作用束縛在質子或者中子內的。強相互作用的機制和我們熟悉的引力正好相反。一定的尺度內,強力隨著夸克之間距離的增大而增大,所以夸克就被束縛在了一定的範圍之內,夸克就好像被關了禁閉一樣。

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原子和原子核

除了基本粒子,其他的粒子理論上應該都是有壽命的,這裡要強調一下,理論上是有的。我們用半衰期來描述這些粒子的壽命,意思是如果你有一坨同一類的粒子,一般的粒子發生了衰變所需要的時間就是半衰期。

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科學家發現,原子序數高於鐵元素的原子都有裂變的趨勢,也就是變成兩個更小的原子核。當然,不同的原子的半衰期其實是不同的。

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在軍事方面所使用的原子彈,其實就是利用到了這一點,用一箇中子去撞擊U235,使其裂變成兩個更小的原子核,整個過程丟失一部分質量,這部分質量以能量的形式釋放出來。

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我們比較常見的衰變其實有三種,分別是α衰變,β衰變,γ衰變。

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前兩種衰變都屬於原子核層面的衰變,前者釋放出一個氦原子核,後者釋放出一個電子。而一般都會伴隨著γ射線,這是放出一定的能量讓自己穩定。所以,原子和原子核應該結合起來看,原子的衰變本質上就是原子核的衰變,所以,它們都是有壽命的。

質子和中子

質子和中子的情況要稍微複雜一點。它們到底會不會衰變,實際上和它們所處的環境有很大的關係,就拿中子來說,如果不是被束縛在原子核內,那這個自由中子大概平均15分鐘就會發生衰變。

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但如果是束縛在原子核內的中子,就不太容易發生衰變。但並不是不衰變,只是很少會發生,發生的也是β衰變,上文已經提到了,這裡就不贅述了。

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同樣的,沒有被束縛在原子核的質子也容易發生衰變。但是,質子有個很奇怪的現象,那就是束縛在原子核內的質子至今也沒有發生一例衰變的現象。因此,我們不知道質子在原子核中有沒有半衰期,或者半衰期是多少。相關的假說也有很多,但並沒有得到實驗證實。所以,質子在原子核內的半衰期其實是一個謎,照現在的形式來看,如果我們的理論物理學沒有大幅度的突破,那這個謎可能永遠都解不開。

總結

最後,我們來總結一下,我們可以把粒子分為基本粒子和非基本粒子。

基本粒子沒有壽命,和宇宙同生同滅。非基本粒子中,原子和原子核的壽命其實是一回事,是有壽命的。沒有束縛在原子核內的中子和質子都會發生衰變,也就是都有壽命。而被束縛在原子核內的中子也有壽命,但要遠比只有的中子長得多,至於束縛在原子核的質子的壽命目前還只是一個謎。

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