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1 # 科學聯盟
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2 # 手機使用者58903279720
題主的意思,我理解是,“為什麼在穩定同位素的原子核中,中子數都不小於質子數呢?”如果不限於穩定同位素,那麼,絕大部分的“β+衰變核素”,都是“中子數小於質子數”的,這被稱為是“缺中子同位素”。
但就是在穩定同位素中,也有原子核中的中子數小於質子數的同位素。例如氦-3,就是由兩個質子與一箇中子組成的,顯然,這種穩定同位素的質子數就大於中子數。氦-3目前被認為是一種“核聚變能源材料”,但其實是不行的,在“熱核聚變”原理上就行不通。
這種現象其實不是唯一的。所以,核結構理論中,並不把它當成是一種“客觀規律”,所以,並沒有理論予以解釋。
題主你好。這個現象確實很值得思考,尤其是對剛接觸原子結構的中學生來說。
回答這個問題以前,我想讓題主來思考一個更簡單的問題。原子核的直徑是很小的,大約為1到10飛米,1飛米等於一米的一千萬億分之一。這麼小的尺度下,要將兩個或者兩個以上的質子裝進去,那麼請問質子之間的庫侖斥力得多大?簡單估計一下,可以發現兩個質子之間庫侖斥力的數量級為100N,這個數值不是很大,但是問題是質子的質量很小,其加速度大得驚人,約為一千億億億倍的重力加速度。質子為什麼沒有因為這麼大的斥力加速度而從原子核裡逃出來呢?有人說,那是因為有萬有引力。可惜,萬有引力在原子核內小得驚人,用牛頓萬有引力定律和庫侖定律做一個比值,就能發現質子之間的萬有引力是質子的庫侖斥力的一萬億億億億分之一!基本山是忽略不計。又有人說了,用牛頓萬有引力定律是不是不對啊,得用廣義相對論吧。可惜,廣義相對論在這個問題上也是無能為力,因為這裡涉及微觀尺度上廣義相對論是否成立的問題,即便這個問題不考慮,只管用廣義相對論,其結果和牛頓引力論差別不是很大(數量級上無明顯區別)!那麼又如何解釋質子可以被約束在原子核呢?答案是一定存在一種宏觀世界無法覺察的相互作用,物理學家稱之為:強相互作用,或者強核力。
強相互作用和電磁相互作用有些類似,它是靠一種叫色荷的東西激發出來的,之所以大部分原子核裡的中子數目會大於等於質子數,就是因為中子是帶色荷的,它可以提供很強的強核力來束縛質子。當然質子也攜帶色荷。按理說不需要這麼的中子,但是強相互作用有一個奇怪的性質,簡單說,叫“遠吸近斥”。一般來說,質子之間的距離是在強相互作用表現為吸引力的範圍,但是它的吸引力卻沒有我們想象的那麼大。原因在於,質子和中子之間的強相互作用不是服從平方反比,而是服從一個帶指數函式的衰減函式——湯川秀樹勢,這就導致距離稍微遠上一個數量級,強核力衰減得就十分明顯。只有讓中子數目足夠多,才能保證質子受到的強相互作用足夠大。可以透過計算電磁力和強核力勢能和,來估計臨界中子數。
關於強核力,目前的研究很是侷限。因為強相互作用涉及到一個非線性理論:楊-米爾斯理論。物理學家對於非線性的東西幾乎是束手無策(剛才說的廣義相對論也是一個高度非線性的理論,到今天為止物理學家都還在研究如何計算廣義相對論解)。剛才提到的湯川秀樹勢能,其實一個有效勢能,它僅僅是在原子核層面才有正確性可言。而到了質子和中子內部,這個勢能也基本靠不住了。