铀为什么会衰变的原理(铀衰变产生什么物质和能量)

“铀作为在地球上能够天然存在的最重的元素,其原子核内的核子数量相应也很大,所以铀是会发生衰变的,其衰变方式主要是从原子核内一次性发射出两个质子和两个中子,这被称之为“α衰变”。”

铀是人类利用核能的重要原料,也是一种会发生衰变的放射性元素,铀为什么会衰变呢?这就要从原子的微观结构讲起了。

众所周知,原子是由原子核和电子构成,而原子核则是由一定数量的质子和中子构成。在拥有多个质子的原子核的内部,存在着两种力量的较量,其中的一方是强相互作用力,其作用是将质子和中子结合在一起,另一方则是电磁力,由于质子都带正电,因此当原子核内存在着多个质子时,它们之间就会产生排斥力。强相互作用力是宇宙四大基本力中最强的一种,但这种力却是一种短程力,其作用距离仅为10^(-15)米,相比之下,电磁力却是长程力,从理论上来讲,其作用距离是无限的,而这也就意味着,质子之间的排斥力是可以叠加的,而强相互作用力却只能“单打独斗”。
铀为什么会衰变的原理(铀衰变产生什么物质和能量)

正因为如此,当原子核内部的质子数量达到一定程度的时候,质子之间的排斥力就可以达到足以抗衡强相互作用力的强度,于是原子核就会变得不稳定。实际上,铀原子核就是属于这种情况,铀是我们能够在自然界中找到的最重元素,其原子序数为92,也就是说,在铀原子核之中的质子数量高达92个,拥有如此多的质子,铀原子核当然也就不稳定了,而这就是铀会发生衰变的原因。我们知道,宇宙万物都会自发地趋向于稳定状态,铀原子核当然也不例外,那如何才能让自己更稳定呢?一个最有效的途径就是减少自己的质子数量。

然而对于铀原子核这种拥有大量质子和中子的重原子核来讲,想要单独释放质子几乎是一件不可能的事情,因为在重原子核的内部存在着一种“结团效应”,简单来讲就是,在重原子核的内部,质子和中子并没有均匀分布,而是结合成一团一团的,其中最容易结成的团就是由两个质子和两个中子构成的“α结团”。

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所以铀原子核就总是会趋向于向外释放出一个“α结团”,是的,这就是我们常听到的“α衰变”,当铀原子核发生“α衰变”之后,就会一次性减少两个质子和两个中子,其原子序数就会减2,进而转变成90号元素——钍,比如说铀-238在发生“α衰变”之后,就会转变成钍-234。

正如我们所知,地球的“年龄”大约为45.5亿年,那么问题就来了,既然铀不停地衰变,那为何在45.5亿年后地球上还有铀呢?其实这很好理解。

铀原子核总是会趋向于衰变,并不代表它马上就会衰变,这其实是有概率的。对于单个铀原子核而言,它何时衰变是不确定的,也就是说,它有可能在1秒钟后就发生衰变,也有可能在1亿年之后才会衰变,但如果观测到的铀原子核数量足够多,它们的衰变就具备了明显的规律。

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这里就需要提到“半衰期”的概念了,我们可以将其简单地理解为:一大堆放射性元素的原子核有一半发生衰变所经历的时间。

举个例子,假设有一种放射性元素的半衰期为1秒,那么我们观测2亿个这样的原子核的时候,只需要1秒,就有1亿个原子核会发生衰变,而在下一秒,剩下的1亿个之前没有衰变的原子核中又有5000万个会发生衰变,随着时间的推移,这些原子核就会不断地“减半”,直到其数量小到不再具有统计意义。

相关研究表明,在地球上自然存在的铀只有铀-238、铀-235和铀-234这三种同位素,它们的衰变类型都是“α衰变”,其中铀-238的半衰期最长,大约为44.68亿年,也就是说,在经历了45.5亿年之后,地球上的铀-238其实只衰变了差不多一半。

铀为什么会衰变的原理(铀衰变产生什么物质和能量)

相对而言,铀-235和铀-234的半衰期更短,分别为大约7.04亿年和24.55万年,不过在45.5亿年的时间里,它们的“减半”次数还不足以让它们在自然界中消失殆尽,只是它们的相对丰度要比铀-238更低,测量数据表明,地球上的铀-238、铀-235和铀-234的相对丰度分别为99.2742%、0.7204%和0.0054%。

简单总结一下就是:虽然铀不停地衰变,但是由于铀有三种同位素的半衰期都相对较长,以至于在45.5亿年后的地球上,我们仍然可以发现它们的踪迹。

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值得一提的是,宇宙中的铀元素其实都是在超新星爆发、中子星碰撞这样的高能事件中产生的,在经历了漫长的时间之后,它们中的极小一部分才来到地球,所以地球上的铀其实比我们想象中的还要古老,在来到地球之前,它们其实已经衰变了很长时间了。
版权声明:千度导航 发表于 2022年8月6日 20:09。
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