科學認識君的《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的力，分别是強相互作用力，電磁作用力，弱力。這三種力和引力一起構成了自然世界的四大基本作用力。

除此之外，我們暫未發現第五種，第六種力......

在四大基本作用力中，最晚發現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。生活中我們經常接觸電磁信号，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，才把誇克們拉攏在一起并組成了質子和中子。

強相互作用力

我們最陌生的就是弱力，一般科普文隻是提及一下弱力與β衰變有關，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，我們經常聽到的核輻射就是弱力作用的結果。

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

原子核之所以帶正電在于質子帶正電，原子序數越大，意味着原子核内的質子數越多，并導緻核外電子越多。為了使原子整體呈現電中性，核外電子的數目隻能同步跟随質子的數目，這樣才能抵消掉質子的電性。

原子核中質子數的增多，勢必導緻核外電子數目的增多。一群電子圍繞原子核旋轉，就好像小弟們跟着大哥混一樣。如果跟着大哥混的小哥們越來越多，大哥和每個小弟之間的關系就會越來越生疏。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着逃脫，而原子核總想籠絡住它們，這就導緻原子結構不穩定了。

一般情況下，原子序數在83以上的元素都不穩定，原子數為83的元素師铋，也就是說铋以上的元素原子結構并不穩定，畢竟核外電子太多了。這也是科學家喜歡用鈾、钚這樣的元素做核裂變原料的原因了，因為它們的原子結構很容易被拆散。

核外電子太多了，原子核籠絡不住躁動的電子。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，隻求掌控的原子帝國穩定就行，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，隻要保證原子帝國穩定就行！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。

原子核是這麼“想”的：把鬧事的電子都轟走，其餘的都是良民，好維穩。隻要自己減少幾個帶正電的質子，那麼核外電子勢必就會相應地離開幾個電子。這樣不僅可以達到目的，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子和兩個中子，同時核外電子也就脫離了兩個。

α衰變

原子核這時候再看看核外電子的反應，如果大家不鬧了，就證明原子結構穩定了，如果還鬧就繼續扔質子，直到穩定。

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

α衰變其實就是放出質子和中子，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，如果原子結構僅僅隻是稍微地不穩定，那麼它就完全沒有必要直接釋放質子來穩定原子結構，這種做損失就有點大。

原子核會想，如果僅有一個電子“鬧事”，那麼就沒必要通過α衰變釋放兩個質子來維穩。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，直接讓它與原子核内的質子中和掉就完事了。

反正這時候原子核可不想直接通過抛出兩個質子和中子的方式維穩了，因為這樣隻會讓原子核越來越輕，得不償失。

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

其實質子和中子是可以相互轉化的。因為質子和中子都是由誇克構成的，誇克的不同組合形式就體現出質子或中子。

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

但誇克分有六種“味”，最常見的兩個“味”是上誇克和下誇克。

質子是由兩個上誇克和一個下誇克構成，中子是由一個上誇克和兩個下誇克構成。

上、下誇克之所以不同，在于“味”不同。要是直接可以變“味”，那麼上、下誇克就可以自由切換了。一個下誇克變“味”之後就成了上誇克。

第一種就是：把質子的一個上誇克分出來給中子；于此同時，中子把它的一個下誇克再還給質子，這樣質子和中子就完美換身了。但事與願違，由于強相互作用力，你休想把誇克分開。誇克之間距離越遠，其強力越大，這就是誇克禁閉效應。

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：我們可以直接讓上誇克變“味”，讓它變成下誇克。而控制這種變“味”的力量就弱相互作用力。

通過弱相互作用，質子内的一個上誇克變“味”成一個下誇克，則質子變成了中子，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)，所以才得名正β衰變。

而很多時候，原子結構的不穩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子數來穩定原子結構。

同樣地，增加質子數依舊可以通過誇克“味”變來進行。比如讓中子(一個上誇克，兩個下誇克)的一個下誇克通過弱力變成一個上誇克，這樣中子就變成了質子(兩個上誇克，一個下誇克)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，其速度達到了光速的90%。由于β粒子是帶負電的電子，所以這種衰變也叫負β衰變。并且β衰變以負β衰變為主。

造成β衰變最常見的形式是通過弱力引起的誇克“味”變，進而導緻中子與質子互換，并釋放β粒子。所以我們也常說β衰變是弱力的主要體現方式。

γ射線能量最強，穿過人體會導緻DNA的堿基對序列紊亂，導緻基因錯位表達。這就是核輻射的一種體現。

不管是哪種衰變，其本質無非是原子核為了使原子結構達到最穩狀态而采用的手段。這就是元素的放射性，或者叫輻射性。

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