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宇宙中粒子和原子的壽命有什麼不同?科學了不起系列徵文賽作品展示

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

這個世界沒有不朽的事物,死亡是必然的,生存是相對的。

因此所有的事物都是有壽命的,包括我們及其一切存在的宇宙,也是有壽命的。粒子和原子當然也有壽命,不過不能夠以人類壽命的性質來衡量,但它們的壽命也有長有短,有的很可能與宇宙共存亡,有的就在一瞬間。

粒子有生無死,只會衰變。因此其壽命不能以生死來論,而是指粒子產生後到衰變時為止存在的時間。粒子衰變是一種粒子變成其他粒子的自發過程,在這個個過程中,原來的粒子會變成更輕的粒子和一中間粒子,而中間粒子會隨即變成其他粒子。

這種粒子存在到衰變的時間間隔就是粒子的壽命。單個粒子是無法預測其衰變時間的,而是整體統計學上的時間,因此只能說是某種粒子的整體壽命。

原子的壽命與粒子壽命界定略有差別。因為原子以元素的方式存在於宇宙中,它們不會一下子從某種物質變成另一種物質,而是漸變過程,因此就是以它們衰變一半為一個週期計算壽命的。

這種衰變亦稱“蛻變”,指放射性元素放射出粒子而轉變為另一種元素的過程。衰變有三種,即α衰變、β衰變和γ衰變,在衰變過程中,原子核的數目逐漸減少,到達這種原子的數目一半時為一個週期。

這個週期就是所謂的半衰期。

每種放射性核素都有其特定的半衰期,由幾微秒到數十億年不等。

元素半衰期是以100%開始,以衰減一半為一個壽命週期。按每個週期衰減一半我們可以得出:第一個週期衰減50%,只剩下50%;第二個週期只剩下25%;第三個週期只剩下12。5%;第四個週期剩下6。25;第五個週期剩下只剩下3。125%;以此遞減為1。5625%、0。78125%、0。390625%、0。1953125%。到了第十個週期就只剩下0。09765625%。

放射性元素通常認為在經過30個週期半衰期後,放射性已減至原來的十億分之一,基本無法被探測到,也就沒有危害了。只有一個原子還存在,就不能認為衰變完成,因此理論上認為一個元素衰變是永遠無法完結的。只是隨著衰變週期的增多,原來元素的量就會會越來越少,少到一定程度就可以忽略不計了。

這也是人們在已知某種元素半衰期前提下,可以透過檢測這種元素殘存的量,得知這種物質存在了多長時間的原理。但衰變週期是人們在統計學意義上測量的結果,並不能代表某一塊元素的精確衰變狀態。

粒子的科學定義。

何謂粒子?科學的定義是指能夠以自由狀態存在的最小物質。科學出現早期,人們把原子作為粒子,後來發現了原子是可以拆分的,由中子、質子、電子組成,這些才是更基本的粒子,於是把電子、質子、中子稱為基本粒子。

再後來發現了越來越多的粒子,如介子、夸克、輕子、強子族等,現在已經累計超過幾百種了,而且還有不斷髮現的趨勢,有些粒子裡面還有結構,有些還沒有發現其有內部結構,因此它們並不屬於同一層次,稱為基本粒子並不準確,於是人們把這些統稱為粒子,廢棄了基本粒子的稱呼。

粒子有些不會衰變,有些會衰變。

光子、電子沒有發現其衰變的跡象,因此它們被認為壽命是無限的;質子可能會衰變,但迄今人們並沒有確切獲得其衰變的證據,但有一些研究認為,質子還是會衰變的,只是衰變時間超長,估計達到10^35~10^100年。

這是一個什麼時間概念呢?是1000億億億億~12個億疊加的年數。宇宙有這麼長的壽命嗎?現代宇宙宿命模型沒有一個有這麼長壽命的。那這個質子壽命與無限長有什麼區別呢?我們吃瓜群眾認為沒有,但科學研究就有一些這樣的“槓精”,不會衰變就是不會衰變,壽命就是無限的;會衰變就是會衰變,壽命再長也不是無限的。這就是科學精神。

當然說質子會衰變或不會衰變的科學家們不是吃瓜群眾,瞎子估水,一擔兩桶,而是都有一套複雜的論證計算理論系統,很複雜,我們科普就沒必要去雲裡霧裡瞭解了。

會衰變的粒子裡面中子壽命算長的了,其餘的都非常短。

中子在原子核裡還是比較穩定的,壽命與原子共存亡。會衰變的中子是指脫離原子核自由存在的中子,這種中子平均壽命為885。7±0。8秒,也就是約15分鐘。

已知可衰變的粒子壽命大多數都非常短暫,說它們是轉瞬即逝都誇張了。除了中子,其餘粒子壽命都短於10^-5秒,也就是0。00005秒以下,如μ子壽命只有百萬分之2。2秒,π介子壽命只有250億分之1秒;最短的只有10^-25秒,也就是10億億億分之一秒,如透過強相互作用的共振態粒子粒子等。

現在測定的所謂物理學稱為穩定粒子的,除了W粒子和Z粒子,壽命都大於10^-20秒;物理學中被稱為不穩定粒子的平均壽命都小於10^-20秒。

粒子壽命還遵循愛因斯坦相對論原則,就是運動越快,壽命越長,不運動,壽命最短。其壽命計算遵循速度時間膨脹公式。前面提到粒子的平均壽命,都是指在該種粒子靜止時所觀測到的平均壽命。

原子的定義就無需說了,儲存世界上常規物質性質的最小單元就是原子。

原子的壽命主要是指放射性元素,它們的原子核半數發生衰變所需時間,叫半衰期。其衰變規律遵循公式:N=Nox(1/2)^(t/T)

式中,No表示初始時刻(t=0)時的原子核數,t為衰變時間,T為半衰期,N是衰變後留下的原子核數。

這種衰變是微觀世界原子核內部的衰變,與外界環境無關,因此是原子的客觀壽命。這也不是針對一個特定的原子來定義的,對於個別原子,我們只知道它衰變的機率,而不知道它將何時發生衰變。所以原子核衰變是指一個統計預測,只具有統計學上的普遍意義。

在原子半衰期中,有的長的令人髮指,有的短得難以捕捉。

半衰期最長的是鉍209,其半衰期長達1。9x10^19年,也就是100億億年;而半衰期最短的為砈213,半衰期只有千萬分之1。25秒。

部分較長半衰期的有:釷(Th)232為140。5億年,鈾(U)238為45億年,鉀(K)40為13億年,鈾(U)235為7。1億年,氯(Cl)36為40萬年等;半衰期比較短的有:釙(Po)215為0。0018秒,釙(Po)216為0。16秒,氡(Rn)219為4秒,鉀(K)38為7。6分鐘,鉍(Bi)212為1小時,硒(Se)73為7。2小時,鈉(Na)24為15小時,碘(I)131為8天等。

這裡就不一一列舉了。

正是這些粒子元素的不斷變化和重新組合排列,才有了我們生生不息的世界。

這些可以理解為粒子和原子的生存週期和壽命狀態。

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