質子的衰變週期為10^35年,怎麼測出來的?人身體裡的質子一生中會衰變嗎?

郭哥聊科學


先說答案:質子的半衰期至少為10^35年,目前實驗中並沒有測量出來質子會發生衰變,只是一些超出標準模型的大統一理論允許存在違反重子數守恆的現象,才得出來質子衰變這個說法!而在我們人的一生中,哪怕只有一個質子衰變的幾率也只有0.001%。這個幾率很大嗎?其實並不大!我們下面就分析10^35年怎麼來的?以及為啥說這個幾率並不大?


人體內有多少個原子?在標準模型下任何衰變、反應都要遵守核子數守恆定律

在宇宙中所知道的一切:恆星、行星、所有你眼前能看到的、也包括我們自己都是由原子構成的。但是和其他所有的物質一樣,我們身體超過99.9%的質量是由原子核提供的。

如果進入原子內部,進入原子的核心,我們會發現原子核是由兩個簡單的核子組合的,也就是質子和中子。質子和中子以數百種不同的組合形式結合在一起,它們不僅決定了一個原子是什麼類型的元素,還決定了一個原子是否穩定。

我們每一個人體內都由10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000個原子組成(10^28)。

我們知道,有些原子具有放射性,比如鉍、鈾和釷,但是這些元素不論是發生α、β、γ衰變,總能保持核子數的守恆!

即使是一個不穩定的自由中子(上、下、下夸克),也會衰變為一個質子(上、上、下夸克)、電子和反電子中微子,其實也就是中子中的一個下夸克釋放出了一個w玻色子,轉變為了較輕的上夸克,下圖可以看到。這個過程也保持核子總數不變。

那麼質子呢?

每個人體內超過10^27個原子是簡單的氫原子,原子核只有一個質子。根據物理學中的許多觀點(如大統一理論,允許違反核子數守恆的理論),質子本身可以衰變!

但如果質子真的可以衰變,那它的半衰期一定很長很長,我們知道中子在15分鐘左右就會衰變,而質子,它必須活得非常長。原因就是我們這個世界依然存在,而你和我也健康的存在。

因為人的體內有10^27個普通的質子(氫原子的原子核),這個巨大的數量告訴我們,不可能有太多的質子會發生衰變,否則我們就會自發的釋放出巨大的能量!因為衰變也是質量轉化能量的核反應過程!

人體的熱量從那裡來,簡單根據人體的測算,質子的半衰期也需要數億年

和所有恆溫哺乳動物一樣,人類也會不斷地向外部環境釋放輻射。為了讓身體保持在合適的溫度下,我們需要消耗能量來彌補不斷散發的輻射。對於一個成年人來說,每秒會消耗100焦耳的能量,就像一個100w白熾燈泡一樣。

假設我們人體從衰變的質子中獲得100%的能量,這也限制了人體內每秒衰變的質子數,絕對不超過6000億個質子。

根據人體內質子的數量和每秒衰變的質子數,我們就可以知道一個典型的質子衰變至少也需要數億年。而實際上,我們並不是從質子的衰變中獲得能量的,不然我真的就成了一個核反應堆了!

我們主要通過化學能,獲取高熱量食物來獲得能量。每天大約需要2000卡路里的食物才能保持一個成年男性的正常體溫。(事實上,營養不良的最早症狀之一就是體溫下降。)

我們怎樣準確地測試質子是否會衰變,它的半衰期大致是多少?

辦法其實很簡單,就是將大量的質子聚集在一起,越多越好,然後在這些質子周圍建立一個巨大的探測器,尋找它們衰變的跡象。

在日本的神岡,科學家建造了一個巨大的水箱,裡面裝了數千噸純水,周圍到處都是光子探測器。只要任何質子發生衰變,高能量的衰變產物都會發出光信號,科學家不僅可以測量質子是否發生了衰變,還可以測量有多少質子發生了衰變。

如果拿10^32個質子做實驗,然後等上一年,如果沒有一個質子發生衰變,那麼就說明質子的半衰期至少是10^32年!

我們要知道的是在所有的實驗中都沒有給出質子衰變的結果。總的來說,根據標準模型和重子數守恆定律,科學家將一個質子的半衰期限制在至少10^35年,而我們的宇宙現在只存在了138億年!所以這並不礙事!

事實上,根據重子數守恆的限制條件,可以說,在人的一生中,身體裡一個質子衰變的幾率最多也只有0.001% !這也是我們的世界如此穩定的原因!


量子科學論


質子:是一種帶有1個單位電荷正電的穩定強子,通常標記為p或p+。每個原子的原子核內部至少會含有一個質子,質子的數量稱為原子序數;另外,還可能含有中子,這些質子與中子都被稱為核子。由於每種元素的原子都含有獨特數量的質子,每種元素具有獨特的原子序數。

1917年,歐內斯特·盧瑟福做實驗發現,使用α粒子撞擊氮原子核,可以提取氫原子核。盧瑟福因此推斷,氫原子核是氮原子核與所有更重的原子核的基礎材料。由於這重要結果,盧瑟福被公認為質子的發現者。

質子極為穩定,不會自行衰變,至今為止,還沒有任何實驗觀察到質子的自發性衰變。但是,在粒子物理學裡,有些大統一理論主張,質子衰變應該會發生,例如,格拉肖-喬吉模型聲稱,對於衰變管道p+→e++π0,平均壽命低於1032 年,有些理論預測,質子平均壽命低於1036 年。

在日本的超級神岡探測器完成的實驗,對於衰變成反μ子與中性π介子,給出質子平均壽命下限為6.6×1033 年,對於衰變成正子與中性π介子,給出質子平均壽命下限為8.2×1033 年。在加拿大的薩德伯裡中微子觀測站進行的一項實驗,尋找從氧-16的質子衰變過程所產生的剩餘核子所發射出的伽馬射線。這實驗建立了質子壽命下限為2.1×1029 年。

通過電子捕獲過程(又稱為逆貝塔衰變),p+ + e− → n + νe ,質子可以變為中子。對於自由質子,這過程不會自發性發生,必需提供足夠能量。

電子捕獲過程是可逆的。通過貝塔衰變,n → p + e− + νe,中子可以變為質子。這是一種常見的放射性衰變。實際而言,自由中子就是按照這模式衰變,平均壽命大約為15分鐘。

如今,美國科學家在線蟲中發現了一種驚人的微小信使——質子。研究人員認為,這一發現提出了這樣一種可能性,即亞原子微粒在人體中也扮演了一個類似的角色。

  據美國《科學》雜誌在線報道,通過對實驗室小鼠進行研究,科學家發現,質子——氫原子剝離了它們的電子——可能充當了信使的功能,但迄今為止,科學家一直缺乏直接證據。

對於人體中質子衰變一說,現沒有足夠證據證明這一點。


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