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地球最大的原子(地球诞生至今46亿年)

时间:2023-05-21 作者: 小编 阅读量: 1 栏目名: 农业百科

所有的放射性核素都是不稳定的,它们会自发的以向外界发射出粒子或者射线的形式,衰变成稳定的原子。对于稳定的原子,我们无法测定它的年龄;只有放射性核素的原子才能测定年龄世界上没有两片完全相同的叶子,可从微观世界看来却不是这样子的。对于放射性核素,我们可以通过测量它的衰变情况,来判断它的大致年龄。

太阳系诞生至今已有46亿年的历史,地球的年龄也大约有46亿年。人类是由原子构成的,那么是否也意味着人类身体内的原子的寿命也有46亿年?

这是一个很有趣的问题,深挖一下,构成该宏观物体的粒子的寿命与宏观物体的寿命一样吗?原子有寿命吗?它的寿命是多少?

为了解释清楚这个问题,我们先从别的方面切入。

人体主要由哪几种原子构成?

无论是天上飘的白云,还是地下跑的马儿,都是由原子构成的,整个太阳系也是由原子构建而成的。

包括人造和天然存在的,目前人类已经发现118种元素,而地球上总共存在90多种天然元素,地球上的碳基生命主要由28种元素构成。人体主要由氧、碳、氢、氮、磷、硫、氯、钾、钠、钙和镁这11种元素构成,它们占据人体总质量的99.9%,此外人体中还含有十几种必要的微量元素。

这里需要说明一下,同一种元素可能存在好几种同位素(质子数相同,中子数不同),其中的一种我们称之为核素,一种核素便对应着一种原子。

比如氢元素,它是宇宙中最简单的元素,它就拥有三种同位素。在宇宙中氢以氕H、氘D和氚T三种同位素的形式存在,其中氕作为氢元素的一种核素,其在自然界中的相对丰度大约为99.985%,我们通常所说的氢原子就是指的氕,它由一个质子和一个电子构成,质量数为1,它是宇宙中最简单的原子。而氘则由一个质子、一个中子及一个电子构成,质量数为2,相对丰度约为0.015%;至于氚的相对丰度则低于0.001%,质量数为3,原子核中含有一个质子、两个中子。

上图为氕和氘的原子结构示意图

原子的寿命有长有短

原子的寿命并不是无限的,不同种类的原子的寿命是不同的。稳定原子的寿命,理论上与宇宙的寿命相当。不稳定的原子的寿命是不同的,长的可达几十亿年,短的不过数秒。

原子由质子、中子和电子构成,稳定元素的原子的寿命,可以用这些粒子的平均寿命来估计。其中,电子的平均寿命无限,自由质子的平均寿命至少为10^35年,自由中子的平均寿命约15分钟。不过中子在原子核的束缚下,寿命会变得非常长,中子同样能够稳定原子核。通常认为质子非常稳定,不易发生衰变,寿命比宇宙的寿命还长。由此可见,由这些粒子构成的稳定元素的的原子的寿命也是非常长的,如果不发生意外,几乎与宇宙的寿命一样长。

而不稳定的原子,其寿命千差万别。所有的放射性核素都是不稳定的,它们会自发的以向外界发射出粒子或者射线的形式,衰变成稳定的原子。元素周期表中原子序数(或质子数)84及以后的元素都是放射性元素,许多稳定元素也都拥有放射性同位素,它们会通过衰变转变为稳定的元素。

对于放射性元素的寿命,即不稳定原子的寿命,我们可以用半衰期来描述。

上图为部分核素的半衰期

那什么是半衰期呢

半衰期是针对放射性元素(更准确一点,应该称之为放射性核数)而言的,只有放射性元素才具有半衰期。比如碳元素的同位素碳14,它的放射性半衰期大约为5730年,这意味着,1千克的碳14原子经过5700年之后,就只剩下0.5千克的碳14原子了,另外0.5千克会衰变成稳定的氮14原子。

同种元素的不同核素的寿命也是天差地别,比如钋元素的同位素钋210和钋215,一个半衰期长达三个月,另一个仅为0.00018秒。在氢的三种同位素中,氚就具有放射性,它的半衰期为12.33年。

原子的创生与毁灭

一种原子可以通过核反应变成另一种原子,核反应的方式包括核聚变、核裂变、原子核的衰变、粒子轰击。

宇宙中最早的一批原子源于宇宙大爆炸,那时的宇宙中的主要元素是氢,氢在万有引力的作用下会形成恒星。宇宙中的第一批恒星在衰老死亡之后,会将大量新元素(比如碳、氧等元素)抛出。

宇宙中的星系主要由恒星构成,每一颗恒星就是一个核聚变反应堆,无时无刻不在制造着新原子,除了氢元素以外,包括铁等轻元素几乎都是在恒星的大熔炉中产生的。当一颗恒星走到了生命的尽头,就有可能会在引力的作用下发生超新星爆发,铁之后的重元素就是在这短短的几秒钟时间内形成的。

如果没有恒星,也就没有足够的原材料形成地球,更不会诞生生命。宇宙中最早的一批原子便是氢原子,其它的原子都是在此基础上由氢原子聚变而成的。

宇宙射线中89%都是自由质子,10%是阿尔法粒子(即氦4原子核),质子和电子会自发地结合成氢原子,此外宇宙射线还有可能会和其它原子发生核反应。

对于稳定的原子,我们无法测定它的年龄;只有放射性核素的原子才能测定年龄

世界上没有两片完全相同的叶子,可从微观世界看来却不是这样子的。

决定原子种类的是核子数,不同的质子数对应着不同的元素,不同的中子数对应着不同的核素。对于同一种稳定的原子,我们无法对它们进行标记,也就是说它们具有全同性。

比如两个氢原子,我们无法判断,究竟哪一个是新产生的,哪一个是后产生的,它们究竟经历了多少年。

对于放射性核素,我们可以通过测量它的衰变情况,来判断它的大致年龄。正是基于这个原理,科学家们可以利用放射性同位素对远古生物进行年代测定,还可以用来鉴定古董。

如图所示,不同放射性元素的测年范围

结语

人体60%都是水,水是由氢原子和氧原子构成的,而水中的氢原子很有可能就是最近几百万年内刚刚诞生的。还有一些其它元素,很有可能也是最近刚刚诞生的。此外,人体中还含有微量的放射性同位素,其实不仅人体内有,自然界中到处都分布着放射性同位素,只不过辐射剂量非常小,根本察觉不到,对人体本身也没有危害。这些人体内的放射性元素也会发生衰变,寿命肯定没有几十亿年。

由此可见,不是所有原子都和地球一样拥有几十亿年的历史,原子同样存在创生与消灭,原子也有寿命,片面的认为我们身体中的原子都有几十亿年的历史是不正确的。

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