微观世界的原子及其更小粒子有生死存亡吗,它们的寿命有多长

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微观世界的原子及其更小粒子有生死存亡吗,它们的寿命有多长


这个世界没有不朽的事物,死亡是必然的,生存是相对的。

因此所有的事物都是有寿命的,包括我们及其一切存在的宇宙,也是有寿命的。粒子和原子当然也有寿命,不过不能够以人类寿命的性质来衡量,但它们的寿命也有长有短,有的很可能与宇宙共存亡,有的就在一瞬间。

粒子有生无死,只会衰变。因此其寿命不能以生死来论,而是指粒子产生后到衰变时为止存在的时间。粒子衰变是一种粒子变成其他粒子的自发过程,在这个个过程中,原来的粒子会变成更轻的粒子和一中间粒子,而中间粒子会随即变成其他粒子。

这种粒子存在到衰变的时间间隔就是粒子的寿命。单个粒子是无法预测其衰变时间的,而是整体统计学上的时间,因此只能说是某种粒子的整体寿命。

原子的寿命与粒子寿命界定略有差别。因为原子以元素的方式存在于宇宙中,它们不会一下子从某种物质变成另一种物质,而是渐变过程,因此就是以它们衰变一半为一个周期计算寿命的。

这种衰变亦称“蜕变”,指放射性元素放射出粒子而转变为另一种元素的过程。衰变有三种,即α衰变、β衰变和γ衰变,在衰变过程中,原子核的数目逐渐减少,到达这种原子的数目一半时为一个周期。

这个周期就是所谓的半衰期。

每种放射性核素都有其特定的半衰期,由几微秒到数十亿年不等。

元素半衰期是以100%开始,以衰减一半为一个寿命周期。按每个周期衰减一半我们可以得出:第一个周期衰减50%,只剩下50%;第二个周期只剩下25%;第三个周期只剩下12.5%;第四个周期剩下6.25;第五个周期剩下只剩下3.125%;以此递减为1.5625%、0.78125%、0.390625%、0.1953125%。到了第十个周期就只剩下0.09765625%。

放射性元素通常认为在经过30个周期半衰期后,放射性已减至原来的十亿分之一,基本无法被探测到,也就没有危害了。只有一个原子还存在,就不能认为衰变完成,因此理论上认为一个元素衰变是永远无法完结的。只是随着衰变周期的增多,原来元素的量就会会越来越少,少到一定程度就可以忽略不计了。

这也是人们在已知某种元素半衰期前提下,可以通过检测这种元素残存的量,得知这种物质存在了多长时间的原理。但衰变周期是人们在统计学意义上测量的结果,并不能代表某一块元素的精确衰变状态。

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粒子的科学定义。

何谓粒子?科学的定义是指能够以自由状态存在的最小物质。科学出现早期,人们把原子作为粒子,后来发现了原子是可以拆分的,由中子、质子、电子组成,这些才是更基本的粒子,于是把电子、质子、中子称为基本粒子。

再后来发现了越来越多的粒子,如介子、夸克、轻子、强子族等,现在已经累计超过几百种了,而且还有不断发现的趋势,有些粒子里面还有结构,有些还没有发现其有内部结构,因此它们并不属于同一层次,称为基本粒子并不准确,于是人们把这些统称为粒子,废弃了基本粒子的称呼。

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粒子有些不会衰变,有些会衰变。

光子、电子没有发现其衰变的迹象,因此它们被认为寿命是无限的;质子可能会衰变,但迄今人们并没有确切获得其衰变的证据,但有一些研究认为,质子还是会衰变的,只是衰变时间超长,估计达到10^35~10^100年。

这是一个什么时间概念呢?是1000亿亿亿亿~12个亿叠加的年数。宇宙有这么长的寿命吗?现代宇宙宿命模型没有一个有这么长寿命的。那这个质子寿命与无限长有什么区别呢?我们吃瓜群众认为没有,但科学研究就有一些这样的“杠精”,不会衰变就是不会衰变,寿命就是无限的;会衰变就是会衰变,寿命再长也不是无限的。这就是科学精神。

当然说质子会衰变或不会衰变的科学家们不是吃瓜群众,瞎子估水,一担两桶,而是都有一套复杂的论证计算理论系统,很复杂,我们科普就没必要去云里雾里了解了。

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会衰变的粒子里面中子寿命算长的了,其余的都非常短。

中子在原子核里还是比较稳定的,寿命与原子共存亡。会衰变的中子是指脱离原子核自由存在的中子,这种中子平均寿命为885.7±0.8秒,也就是约15分钟。

已知可衰变的粒子寿命大多数都非常短暂,说它们是转瞬即逝都夸张了。除了中子,其余粒子寿命都短于10^-5秒,也就是0.00005秒以下,如μ子寿命只有百万分之2.2秒,π介子寿命只有250亿分之1秒;最短的只有10^-25秒,也就是10亿亿亿分之一秒,如通过强相互作用的共振态粒子粒子等。

现在测定的所谓物理学称为稳定粒子的,除了W粒子和Z粒子,寿命都大于10^-20秒;物理学中被称为不稳定粒子的平均寿命都小于10^-20秒。

粒子寿命还遵循爱因斯坦相对论原则,就是运动越快,寿命越长,不运动,寿命最短。其寿命计算遵循速度时间膨胀公式。前面提到粒子的平均寿命,都是指在该种粒子静止时所观测到的平均寿命。

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原子的定义就无需说了,保存世界上常规物质性质的最小单元就是原子。

原子的寿命主要是指放射性元素,它们的原子核半数发生衰变所需时间,叫半衰期。其衰变规律遵循公式:N=Nox(1/2)^(t/T)

式中,No表示初始时刻(t=0)时的原子核数,t为衰变时间,T为半衰期,N是衰变后留下的原子核数。

这种衰变是微观世界原子核内部的衰变,与外界环境无关,因此是原子的客观寿命。这也不是针对一个特定的原子来定义的,对于个别原子,我们只知道它衰变的概率,而不知道它将何时发生衰变。所以原子核衰变是指一个统计预测,只具有统计学上的普遍意义。

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在原子半衰期中,有的长的令人发指,有的短得难以捕捉。

半衰期最长的是铋209,其半衰期长达1.9x10^19年,也就是100亿亿年;而半衰期最短的为砹213,半衰期只有千万分之1.25秒。

部分较长半衰期的有:钍(Th)232为140.5亿年,铀(U)238为45亿年,钾(K)40为13亿年,铀(U)235为7.1亿年,氯(Cl)36为40万年等;半衰期比较短的有:钋(Po)215为0.0018秒,钋(Po)216为0.16秒,氡(Rn)219为4秒,钾(K)38为7.6分钟,铋(Bi)212为1小时,硒(Se)73为7.2小时,钠(Na)24为15小时,碘(I)131为8天等。

这里就不一一列举了。

正是这些粒子元素的不断变化和重新组合排列,才有了我们生生不息的世界。

这些可以理解为粒子和原子的生存周期和寿命状态。

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