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物理学家真的相信放射性衰变是完全随机和完全自发的吗?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-07-28 10:27:26

是的,放射性物质的衰变半衰期是可以改变的。放射性衰变发生在一个不稳定的原子核自发地改变到一个较低的能量状态,并喷出一点辐射。这个过程使原子变成不同的元素或同位素。由于放射性衰变是一个自发的事件,你可能认为衰变过程的半衰期是完全固定的,不能被外界的影响改变。然而,这种说法并不完全正确。

放射性衰变

首先,值得指出的是,单个放射性原子衰变的时间是完全随机的。要预测单个放射性原子何时衰变是不可能的。某种原子的半衰期并不能描述每个原子在衰变前经历的确切时间。相反,半衰期描述的是大量原子达到一半原子已经衰变的点所需要的平均时间。

放射性物质的半衰期可以用时间膨胀效应来改变。根据相对论,时间本身可以减慢。因此,如果时间被拉长,任何经历时间的事物都能拥有更长的有效寿命。这可以通过两种方式实现。相对于静止的观测者,以接近光速的速度运动会使时间明显变慢。例如,在实验室中,许多放射性原子以高速穿过一根管子,由于时间膨胀,它们的半衰期相对于实验室会延长。这种效应已经通过粒子加速器多次得到验证。时间也可以通过施加很强的引力场来膨胀。例如,由于时间膨胀,在黑洞附近放置一堆放射性原子也会延长黑洞的半衰期。

放射性衰变的半衰期也可以通过改变原子核周围电子的状态来改变。在一种被称为电子捕获的放射性衰变中,原子核吸收原子中的一个电子,并与一个质子结合,产生一个中子和一个中微子。原子电子的波函数与原子核重叠越多,原子核就越能捕获电子。因此,电子捕获放射性衰变模式的半衰期略微取决于原子的电子处于什么状态。通过激发或变形原子的电子到与原子核重叠较少的状态,可以减少半衰期。由于原子间的化学键合涉及原子电子波函数的变形,原子的放射性半衰期可能取决于它如何与其他原子键合。只要改变与放射性同位素相连的相邻原子,我们就能改变它的半衰期。然而,以这种方式实现的半衰期变化通常很小。例如,B. Wang等人发表在《欧洲物理杂志a》上的一项研究能够测量到,通过用钯原子包围铍原子,铍-7的电子捕获半衰期延长了0.9%。

除了改变化学键外,只需从原子中去除电子就可以改变半衰期。在这种方法的极端极限下,所有电子都可以从放射性原子中剥离出来。对于这样的离子,不再有任何电子可以捕获,因此电子捕获放射性衰变模式的半衰期变得无限长。某些只能通过电子捕获模式衰变的放射性同位素(如铷-83)可以通过剥离所有电子而使其永不衰变。除了电子捕获外,其他类型的放射性衰变也发现其衰变半衰期依赖于周围电子的状态,但影响较小。由于电子环境的改变而引起的半衰期的变化通常是非常小的,通常远小于1%。

最后,放射性物质的半衰期可以通过高能辐射轰击来改变。这并不奇怪,因为放射性衰变是一种核反应,并且在衰变的同时诱导其他核反应会干扰它。然而,在这一点上,你并没有真正独立的放射性衰变。相反,你有核反应汤,所以这种方法可能不能真正算作改变半衰期。

当参考书列出各种材料的半衰期值时,它们实际上列出的是材料的原子处于静止状态时的半衰期,处于基态时的半衰期,处于特定的化学键结构时的半衰期。请注意,放射性物质半衰期的大多数变化都是非常小的。此外,对半衰期的大改变需要精密、昂贵、高能的设备(例如粒子加速器、核反应堆、离子阱)。因此,在专业实验室之外,我们可以说,作为一个很好的近似,放射性衰变半衰期不会改变。例如,碳定年法和地质放射性定年法之所以如此精确,是因为自然界中的衰变半衰期如此接近恒定。
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