03.03 原子、質子、中子、電子等微觀粒子有壽命嗎?

宇宙徽塵


先說原子,原子的壽命有一個專門的名詞:半衰期。它是指一類原子的原子核半數發生衰變,變成其它類原子的過程,每類原子的半衰期都不一樣,具體參見下方,最長的要45億年:

原子核的衰變方式之一:一個原子核釋放一個α粒子(由兩個中子和兩個質子形成的氦原子核),並且轉變成一個質量數減少4,核電荷數減少2的新原子核。

釙(Po)215:0.0018秒

鍶(Sr)90:30年

釙(Po)216:0.16秒

銫(Cs)137:30年

鉍(Bi)212:1小時

鐳(Ra)226:1620年

鈉(Na)24:15小時

碳(C)14:5730年

碘(I)131:8天

鈈(Pu)239:24000年

磷(P)32:14天

氯(Cl)36:400000年

鐵(Fe)59:90天

鈾(U)235:7.1億年

釙(Po)210:3月

鉀(K)40:13億年

鈷(Co)60:5年

鈾(U)238:45億年

氚(H3):12年

中子和質子:

中子要分兩種情況,一種是因為某些原因脫離原子核的自由中子,平均壽命只有差不多 15 分鐘,它會很快衰變為三個更輕的粒子,即質子、電子及反中微子。

而在原子核內的中子和質子非常的穩定,特別是質子,曾有科學家認為,核內質子的壽命可以跟宇宙同齡(實驗已測得的質子壽命大於10的33次方年。)

這是因為原子核的庫侖力束縛著它們,它們衰變釋放的能量並不足以讓它們逃離(要知道,粒子越小,所受的力就越明顯)。

但它們確實也是可以衰變的。如氚核中的中子可以通過衰變轉化為質子。

電子:

電子是最為基本的粒子,目前還無法再分解為更小的物質。質子已經夠小了,但它的質量約為電子質量的1836倍。粗略地說,粒子越小壽命就越高,所以,電子的壽命是要比質子還要長的。說跟宇宙同齡,也麼錯。





半單純


原子,質子和中子,它們都是有壽命的,我們稱之為衰變。

為什麼會衰變,這是因為原子核中的質子和中子是靠強作用力(四大基本作用力中最強的一種)束縛在一起的,但是強作用力作用距離非常之短,所以一旦因為外部強子(質子和中子都是強子)的侵入等原因,就會發生衰變。

比如鈾(U)238原子為例,它的半衰期為45億年。

所謂半衰期,就是這裡有一堆鈾原子,等過了45億年,我們再來看,已經有一半的鈾原子發生了衰變,變成了鉛、碘、鍀、氡等元素。

利用雲室觀察鈾的衰變,可見釋放出的α粒子和β粒子徑跡。

原子的半衰期又長又短,長的像鈾,短的只有幾秒,幾微秒。

並不是所有的原子都會衰變,如金原子,它從誕生,幾乎就是永生。

衰變有三種方式:α衰變、β衰變、γ衰變,一般而言,α衰變是原子核中的中子和質子放射出來,實現衰變;β衰變則是電子跑出來,γ衰變則是高能電磁波的釋放。

ATLAS 探測器模擬的希格斯粒子衰變藝術效果圖。

中子也會發生β衰變,中子一旦脫離原子核,成為自由中子,那它的平均壽命只有 15 分鐘,它會很快衰變為質子、電子、反中微子和光子。

原子核內中子也可以衰變,但就不那麼容易了。

中子衰變。

質子也可能發生衰變,但目前來說,這還是一種理論假設。尋找質子衰變,現在是物理學上的一個重大課題,一旦發現,意義非凡。

最後是電子。科學家一般認為電子的壽命是無限長的,因為它是已知的帶負電粒子中最輕的,所以通過任何能量守恆的方式進行衰變,都會違背電荷守恆定律。

所以,電子是永生的,沒有壽命一說。

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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。

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。

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。

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

通過這樣的方式,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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。


鍾銘聊科學


前面的專業人士回答都犯了一個相同的錯誤,這裡指出來,請不要生氣。原子、質子、中子和電子等微觀粒子的壽命僅僅在一剎那之間。

為什麼?

人的生命是一個粗大的過程(宏觀過程),其死亡是按照粗大的相續來判斷,如幾十年乃至上百年,期間身體如何產生長高、生病等變化,或者肌體如何新陳代謝,都不在考慮範圍。只要這個人還在顯現,沒有消亡,就還活著。但是,只要仔細觀察,人從嬰兒到老年,身體早就發生了天翻地覆的變化,身體的細胞生生滅滅的次數已經多得無法計算,身體狀況也是幾經變遷,不僅身體,思想和學識等同樣如此,您能夠在老年人身上還能夠找到他在嬰兒時的一絲一毫的知識(一般嬰兒也沒有什麼知識)和思想嗎?絕對不可能。但是,我們還是認為前後是一個人,這就是將粗相續的顯現錯誤的執為前後是一個不變的“我”存在,實際觀察得出的結論是身體的細胞發生了難以計數的新陳代謝變化(新陳代謝就是身體細胞死亡和新生的過程),思想的生滅也是無法計數。

回到原子、質子、中子和電子等微觀粒子來,它們是極細微的物質,觀察其壽命也需要看其細微變化或者生滅。其實它們是剎那就已經滅掉,後面顯現的原子等是前面顯現原子的同類相續,前後並不是一個。原子等高速運動和生滅是基本常識,如果沒有後面新的原子核等持續產生,核電站的巨大能量就無法產生。所以,所謂衰變期只是指同類相續顯現無法持續的一個過程,並不是一個原子等的存活過程。

綜上所述,原子、質子、中子和電子等微觀粒子的壽命只是一剎那。


心智之道


有。《攤煎餅出宇宙理論》指出:老天爺用食指輕輕一劃攤了個煎餅宇宙。就連宇宙都有壽命,宇宙內的物質包括電子質子中子都有壽命。


攤煎餅出宇宙


粒子的衰變基於一些守恆定律,以及他們的內部結構。原子,質子,中子都是有結構的,他們衰變與否是取決於其內部結構。


你在聽嗎86


有壽命,據說,明天起,所有的原子,質子,中子,電子,全部都死光光。

物理,化學等以分子原子論為基礎的學科,將不復存在,興盛一時的高能物理煙消雲散。

原子彈氫彈,核電站都無法運作,聽說要拆掉,附近的廢品站準備去砸鋼筋水泥,取鋼條賣呢,你還不走快點!


青山不掩


全都有壽命呀,若哪個人說這一堆子沒壽命=肯定是騙你了.


宇宙時空聯盟


人類對微粒子的研究與發現才一百餘年,現在還不知道其壽命長短,故本問題無答案!



用戶創維


有啊,有衰減期。


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