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如何测算木乃伊“年龄”?《张朝阳的物理课》谈原子核衰变

12月26日12时,《张朝阳的物理课》第十五期开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,从相对论的质能关系,讲到碳-14的衰变、原子核的结构、核子间的强相互作用,并科普了原子核的衰变过程,如α衰变、β衰变等。
发布时间:2021-12-27 16:18        来源:赛迪网        作者:赛迪网

如何测量考古发现中古物的年龄?人为什么不能久住地下室?12月26日12时,《张朝阳的物理课》第十五期开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,从相对论的质能关系,讲到碳-14的衰变、原子核的结构、核子间的强相互作用,并科普了原子核的衰变过程,如α衰变、β衰变等。最后还介绍了关于衰变的应用实例:土壤中镭的衰变和古物年代测定。

复习物理学经典的质能关系  引入“能量阶梯”概念

张朝阳首先复习了经典的质能关系E=mc²。科学界公认,这个公式在不同能量、不同尺度下都适用,但在一般的物理变化和化学变化中质能转化并不明显,只在核过程中比较明显。随后,他引入了“能量阶梯”的概念,即物理变化、化学变化、核过程,能量量级阶梯式增加。

物理变化中,微观世界的结构没有变化,例如蛋糕切成两半、房间温度提升、挖土盖房等过程;化学变化中,则发生了原子的重组、电子的转移等,化学键断裂或生成,但原子核没有变化,例如纸燃烧成灰烬,吃的东西被消化等。而核过程中,有原子核的变化,其微观能量非常高,经常达到MeV量级,此时,质量能量的转换关系非常明显,例如原子弹的爆炸过程。

(张朝阳论述“能量阶梯”)

原子核的稳定性:排斥力和吸引力的博弈

关于核过程,张朝阳补充了原子核的相关知识。原子核由质子和中子构成。原子内部其实相当空旷。如果将原子比作足球场,原子核只相当于苹果大小。原子核虽然小,但原子的质量却主要集中在这里。

中子和质子之间的力是核力。这是一种强相互作用力,其势能与核子之间的距离关系如下:

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(张朝阳介绍强相互作用和原子核结构)

图中可见,核子之间距离r较短时,是排斥力;当距离达到势能最低点时,处于平衡状态;当距离继续增大,核力又变成吸引力,且强度随距离趋于指数衰减。总之,它表现为一种短程作用力。

(当原子序数达到82以上,稳定核的曲线偏向于更多中子数。)

张朝阳介绍到,原子核的稳定是核子互相吸引的强相互作用和库仑排斥力的平衡所维持的。由于强相互作用力是短程力,核子只和邻近的核子有吸引力;但是库仑力是长程力,全部质子之间都有强烈的排斥力。因此,当核数较小时,质子和中子各占一半就能维持平衡;当原子序数达到82以上,则需要更多的中子才能维持核的稳定。

拆解原子弹爆炸过程  中子慢化为铀裂变接力产生链式反应

接着,张朝阳介绍原子弹爆炸是利用中子轰击铀-235产生裂变,释放出更多中子去轰击其他铀核,这就是链式反应。此过程会释放巨大的能量。但原子核对于原子,就像“苹果”对“足球场”,中间空荡荡的。中子要准确撞击原子核有一定困难,所以需要“慢中子”。张朝阳将慢中子比喻成“胖子”——“行动力”慢,才容易撞上。

裂变产生的中子速度很高,需要降低“行动力”才能保证链式反应的持续进行。如何降低中子的“行动力”呢?这就需要中子减速剂——重水。它是制造原子弹的重要材料。讲到这里,张朝阳还介绍了一段历史故事:二战时期,希特勒想要研制原子弹,需要从自然界提取大量原材料用于合成重水,于是把工厂建在挪威山林。美国方面得到情报,连续破坏工厂,迫使希特勒将工厂搬回德国。搬运过程途径山湖,联军特工成功炸毁船只,导致希特勒计划失败。美国则成功研制出原子弹,改变了世界格局。

衰变有哪些科学应用?揭晓古物年龄测量方法

衰变在生活中有哪些应用?张朝阳讲了有关α衰变和β衰变的案例。

介绍α衰变时张朝阳举例解释,第一个是铀-238的衰变,铀-238原子经过衰变之后变成钍-234,并放射出α粒子;第二个例子是镭的衰变,镭-226原子衰变之后变成氡-222,并且放射出α粒子。

张朝阳提到,土壤、地下岩石和建筑物材料都还有少量的镭,但是镭衰变产生的α粒子会被人体皮肤遮挡,从而不会对人体产生大的危害。不过衰变产物氡气也是一种放射性物质,它也会进行α衰变。空气中的氡气被人体吸收之后在肺部衰变放射出来的α粒子会引发肺癌。他强调,氡气是仅次于吸烟的肺癌诱因,“把放射性物质直接吸入肺里肯定是不行的,会有对身体造成伤害。所以不能长时间呆在石材结构的、封闭的地下室,应当要经常开窗透气,这是医学知识。”

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(铀和镭的衰变)

关于β衰变,张朝阳举了碳-14的衰变作为例子。碳-14经过β衰变会变成氮-14并且释放出一个电子。大气中的碳-14以二氧化碳的形式存在着,来源于太阳风、宇宙射线中的高能中子和氮气的碰撞,因此含量维持在一个稳定的水平之上。

此外,张朝阳详细说了碳-14衰变在测定文物年代上的应用。当考古学家发现了木乃伊或是古代木器,该如何测算这些古物的年龄呢?“一般根据死亡生物体残余的碳-14推断它的生存年代。”生物存活时需要呼吸二氧化碳,体内的碳-14含量不变;而死后停止呼吸,不与外界进行碳交换,体内的碳-14以5730年的半衰期进行β衰变并逐渐消失,所以只要测定剩下的放射性碳-14的含量,就可推断其年代。

张朝阳对碳定年法演示了详细的计算。由于β衰变,N个原子在∆t时间内原子数量的变化是∆N=-Nλ∆t,解出这个方程便可以得到衰变原子的数目随时间的指数衰减关系。同时,张朝阳介绍了活度的概念,即单位时间内的辐射量,活度同样遵循指数衰减的变化关系。碳-14的单位活度是0.25Bq/g,其中Bq为放射性活度单位“贝可”。张朝阳举例,通过探测埃及古物样品中碳-14的实际活度为0.64Bq,结合活度的指数衰减公式,可以求得古物年龄为3300年。这是β衰变在考古学上的应用实例。

搜狐视频发力知识直播 传播知识玩转科学

自11月5日至今,《张朝阳的物理课》已直播十五期。在第一、二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行圈数;第三、四课的内容则和“振动”相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚的太阳颜色为何不一样,以及蓝色天空的秘密;第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论。

在第七、八、九期则重温经典力学的两朵乌云,带领网友触摸量子力学;第十、十一课则重点回顾黑体辐射曲线及其应用,试图重回137亿年前的宇宙;第十二、十三、十四期则尝试进入爱因斯坦的思想世界,推导出著名的公式“E=mc²”,并试图论证“时间膨胀”和“长度收缩”效应。第十五期则讲解原子的结构和原子核的衰变。

观察生活现象+解释背后原理+推导演算公式,结合十四期物理课可以看出,《张朝阳的物理课》是从日常现象引入,帮助网友理解现象,提升兴趣,再“透过现象看本质”,解释知识点,推演过程,反过来解决生活中的问题。

在后续课程中,张朝阳还将进一步解释生活中常见的物理现象。通过网友最熟悉的话题,深入浅出,解释现象,探寻物质世界的原理。达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,并借此激发科学学习的热潮。该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。

除《张朝阳的物理课》外,搜狐视频也邀请多位通识教育播主,科普知识,传递价值。北京交通大学理学院教师陈征博士玩起了“奇趣的科学实验”,走进“光的波粒二象性”;康奈尔大学物理化学博士包坤,化身“包大人玩科学”,教普通人看懂2021年诺贝尔奖;还有天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”等。未来,还将有更多知识播主入驻,一起玩转科学。

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