鈾為什麼會衰變?鈾不停地衰變,為何在45.5億年后地球上還有鈾?

鈾是人類利用核能的重要原料,也是一種會發生衰變的放射性元素,鈾為什麼會衰變呢?這就要從原子的微觀結構講起了。

眾所周知,原子是由原子核和電子構成,而原子核則是由一定數量的質子和中子構成。在擁有多個質子的原子核的內部,存在著兩種力量的較量,其中的一方是強相互作用力,其作用是將質子和中子結合在一起,另一方則是電磁力,由于質子都帶正電,因此當原子核內存在著多個質子時,它們之間就會產生排斥力。

強相互作用力是宇宙四大基本力中最強的一種,但這種力卻是一種短程力,其作用距離僅為10^(-15)米,相比之下,電磁力卻是長程力,從理論上來講,其作用距離是無限的,而這也就意味著,質子之間的排斥力是可以疊加的,而強相互作用力卻只能「單打獨斗」。

正因為如此,當原子核內部的質子數量達到一定程度的時候,質子之間的排斥力就可以達到足以抗衡強相互作用力的強度,于是原子核就會變得不穩定。

實際上,鈾原子核就是屬于這種情況,鈾是我們能夠在自然界中找到的最重元素,其原子序數為92,也就是說,在鈾原子核之中的質子數量高達92個,擁有如此多的質子,鈾原子核當然也就不穩定了,而這就是鈾會發生衰變的原因。

我們知道,宇宙萬物都會自發地趨向于穩定狀態,鈾原子核當然也不例外,那如何才能讓自己更穩定呢?一個最有效的途徑就是減少自己的質子數量。

然而對于鈾原子核這種擁有大量質子和中子的重原子核來講,想要單獨釋放質子幾乎是一件不可能的事情,因為在重原子核的內部存在著一種「結團效應」,簡單來講就是,在重原子核的內部,質子和中子并沒有均勻分布,而是結合成一團一團的,其中最容易結成的團就是由兩個質子和兩個中子構成的「α結團」。

所以鈾原子核就總是會趨向于向外釋放出一個「α結團」,是的,這就是我們常聽到的「α衰變」,當鈾原子核發生「α衰變」之后,就會一次性減少兩個質子和兩個中子,其原子序數就會減2,進而轉變成90號元素——釷,比如說鈾-238在發生「α衰變」之后,就會轉變成釷-234。

正如我們所知,地球的「年齡」大約為45.5億年,那麼問題就來了,既然鈾不停地衰變,那為何在45.5億年后地球上還有鈾呢?其實這很好理解。

鈾原子核總是會趨向于衰變,并不代表它馬上就會衰變,這其實是有機率的。對于單個鈾原子核而言,它何時衰變是不確定的,也就是說,它有可能在1秒鐘后就發生衰變,也有可能在1億年之后才會衰變,但如果觀測到的鈾原子核數量足夠多,它們的衰變就具備了明顯的規律。

這里就需要提到「半衰期」的概念了,我們可以將其簡單地理解為:一大堆放射性元素的原子核有一半發生衰變所經歷的時間。

舉個例子,假設有一種放射性元素的半衰期為1秒,那麼我們觀測2億個這樣的原子核的時候,只需要1秒,就有1億個原子核會發生衰變,而在下一秒,剩下的1億個之前沒有衰變的原子核中又有5000萬個會發生衰變,隨著時間的推移,這些原子核就會不斷地「減半」,直到其數量小到不再具有統計意義。

相關研究表明,在地球上自然存在的鈾只有鈾-238、鈾-235和鈾-234這三種同位素,它們的衰變類型都是「α衰變」,其中鈾-238的半衰期最長,大約為44.68億年,也就是說,在經歷了45.5億年之后,地球上的鈾-238其實只衰變了差不多一半。

相對而言,鈾-235和鈾-234的半衰期更短,分別為大約7.04億年和24.55萬年,不過在45.5億年的時間里,它們的「減半」次數還不足以讓它們在自然界中消失殆盡,只是它們的相對豐度要比鈾-238更低,測量數據表明,地球上的鈾-238、鈾-235和鈾-234的相對豐度分別為99.2742%、0.7204%和0.0054%。

簡單總結一下就是:雖然鈾不停地衰變,但是由于鈾有三種同位素的半衰期都相對較長,以至于在45.5億年后的地球上,我們仍然可以發現它們的蹤跡。

值得一提的是,宇宙中的鈾元素其實都是在超新星爆發、中子星碰撞這樣的高能事件中產生的,在經歷了漫長的時間之后,它們中的極小一部分才來到地球,所以地球上的鈾其實比我們想象中的還要古老,在來到地球之前,它們其實已經衰變了很長時間了。


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