【物理好好玩S1EP4】玩骰子的上帝——從放射性原子核談起

文、聲音|張嘉泓 圖|東方IC

科學家對於放射性原子核的了解,已經十分透徹穩固。如今,你很難在物理系中,還能找到研究原子核的教授了。但在原子核的行為中,卻有一個很奇妙的謎。

歡迎收聽「物理好好玩」,一起來發現和體驗,科學多麼有趣。這樣的樂趣,不能只有科學家知道。

「物理好好玩」是由「鏡好聽」製作播出的節目,我是主持人張嘉泓。今天這集節目,我要和大家分享的是:〈玩骰子的上帝——從放射性原子核談起〉。

放射性原子核,聽起來、既陌生又熟悉。如果以它或相關的詞,例如核能,在大眾媒體出現的頻率來看,我們對它的了解應該不亞於電動車。我們不是還為是否廢除核能電廠,進行了公民投票嗎?然而如果再問大家,原子核放射出來的究竟是什麼,大夥兒心中一定有一股寒意湧上心頭。那即使不是凶器,肯定也是稀奇古怪、超越想像的東西吧。

事實上,科學家對於放射性原子核的了解,已經十分透徹穩固。如今,你很難在物理系中,還能找到研究原子核的教授了。但在原子核的行為中,卻有一個很奇妙的謎。

宇宙中有許多不穩定的原子核

接下來的討論可能有點陌生、但其實並不複雜,就當它是個腦筋的重訓吧!原子核是由帶正電的質子與不帶電的中子所組成,大小只有百兆分之一公尺左右。周圍加上與質子數目相同的電子,就形成了原子。相同電子數的原子,化學性質就一樣。對一個特定的質子數目,一般只有一種穩定原子核,它們所形成的原子,就是各種元素的組成成分,例如氧的原子核有8個質子,碳則有6個。我們整個宇宙的物質,就是由以上這3種粒子所構成。

宇宙中也有許多不穩定的原子核,例如作為核能燃料的鈾-235原子核,就有92顆質子和143顆中子。這麼多個粒子擠在如此小的空間之中,果然不穩定。為了趨向穩定,鈾原子核會傾向分裂成兩個較輕的原子核,這就稱為核分裂。奇妙的是這兩個產物的質量,卻小於原來鈾原子核的質量。少掉的質量會轉化爲能量,釋放出來後煮沸了水,水蒸氣就能拿來發電了。這就是核能發電的原理。

至於放射性就比較抽象,但現成有一個具體的案例。在日本福島電廠廠區內,現在密布了1,000個3層樓高的大儲存槽,裡面儲存了100萬噸有放射性的水。福島電廠災變時,地震引起的海嘯淹沒了備用發電機,使反應爐的冷卻系統失效,導致爐心過熱而融化。後來反應爐被密封了,等待終結處理。這些水就是10年來累積的冷卻水或是滲入反應爐中的雨水。這些水因為接觸了曝露的核燃料,因而受到放射性污染。

氚可以取代氫原子,與氧原子化合,組成氚水

但廠方已經將水中所有的放射性物質幾乎過濾完畢,只剩下氫的放射性同位素氚,無法去除,所以還是只能暫時儲存起來。但冷卻水持續以一天140噸的速度增加,預計儲存槽明年就會裝滿,因此日本政府正在計劃將它們倒入海中。這真的可以嗎?

氚的原子核是氫原子核的同位素,一樣有一個質子,但氚多了兩個中子。因此氚原子核由三個粒子組成,這個字就是氫氣的氫,在部首的氣的下方,以一個三撇的川字取代。因為質子數目一樣,氚原子化學性質與氫原子一樣,所以可以取代氫原子,與氧原子化合,組成氚水。在福島儲存近百萬噸的冷卻水中,氚原子核就是以十四毫升氚水的形式存在。

量少不代表可以放心,氚與氫不同,氚是有放射性的。意思就是氚的原子核並不穩定,它會自動消失, 而同時產生較輕的穩定氦-3原子核,加上一個電子, 與一個不帶電的微中子。這個過程就稱為衰變。這個詞聽起來,好像食物慢慢腐敗變質,或是生物衰老死亡,但在科學上,比較接近水由高處往低處流,而釋放出運動能量的過程。氦-3原子核比電子重,速度慢,而微中子一般來說是看不到的,因此在現象上,氚衰變後放射出來的就是一個很快的電子,這就是所謂原子核的放射性。所以原子核所放射出來的東西,很多時候就是稀鬆平常、到處都有的電子,其實一點都不神秘。

氚的放射性基本上對人體是不會造成傷害的

氚的原子核是由一個質子及兩個中子組成,而氦-3是氦的同位素,原子核含兩個質子、一個中子。細心的聽眾一定立刻發現,其實氚的衰變,就是氚裡面的一個中子,衰變成了氦-3的一個質子。沒錯,這也是許多放射性原子核衰變的原型,稱為貝他衰變。透過貝他衰變,中子可以變成質子,從而改變原子核的組成,以增加原子核的穩定性。例如6個質子與8個中子組成的碳-14原子核,就可以經過貝他衰變,變成7個質子與7個中子組成的穩定氮原子核,同時放出電子與微中子。

如果細究貝他衰變,它可是一點都不平常,極度奇怪。在衰變之後,中子消失了,出現了較輕的質子,這是第一次人類發現質量會消失的反應。根據愛因斯坦著名的公式E=mc^2,此消失的質量轉換成十分巨大能量。在貝他衰變中就成為放射電子的運動能量,可見放出的電子能量很高,速度很快,可以到達與光速同樣等級。這些電子也很危險,可以穿透人的皮膚,造成輻射傷害。但氚原子核的貝他衰變是罕見的例外,因為氚與氦-3原子核質量差距不大,衰變所放出的電子的能量只有典型衰變能量的1/100左右,根本無法穿透人的皮膚,因此氚的放射性基本上對人體是不會造成傷害的。這也就是為什麼日本會考慮將福島儲存的放射性水倒入海中。

科學的基本假設就是因果律,一個因,對應一個果

更不平常的則是衰變本身。實驗發現,如果有一群一樣的放射性原子核,每隔一段固定時間之後,一半的原子核就會發生衰變,另一半的原子核則不會衰變,保持原狀。這個時間就稱為半衰期,因此,第二個半衰期過後,餘下的一半原子核又會衰變一半,數量就剩下原來的1/4了。這個結果適用於中子及大部分的放射性原子核,且是可以嚴格驗證成立的。

獨立的中子半衰期是十分鐘,但如果是在穩定的原子核裡,中子就可以很長壽,例如穩定的原子核幾乎就是長生不老的。放射性原子核半衰期較短,但也有很大個別差異。例如核分裂產物中的放射性碘-129半衰期可以到1,600萬年,過程中一直有放射性,這就是核廢料難處理的原因。還好核分裂產物中最危險的碘-131,半衰期只有八天。氚原子核的半衰期則是十二年,所以原則上福島儲存的放射性水,倒入海中,大約經過數十年,就會衰變殆盡,而不再有放射性了。

原子核衰變有半衰期其實是很詭異的事。請注意,這一群原子核,衰變的時間並不一致。相同的氚原子核,怎麼會有不一樣的下場呢?科學的基本假設就是因果律,一個因,對應一個果。原子核實驗的結果隱含,面對單一個氚原子核,科學家完全沒有把握它是否衰變、何時衰變。

將種子種下去,農民也不能確定它何時會長成

可能有聽眾會感覺這好像跟種植農作物很像,將種子種下去,農民也不能確定它何時會長成。而且一個農場之中,由相同的種子開始,每一棵植物的生長也有不同。然而,即使來自同一種植物,每一顆種子其實不可能完全一樣,必定有些細微差異。有的較大、有的較小、有的水份多、有的營養素多。原則上我們是可以找出每一個種子彼此的差異之處,由此推究出每一株植物長出的時間,畢竟一定的起因,造成特定的結果。

至於氚,則完全沒有細微的差異,可以讓我們分辨個別的原子核。不能大一些、不能重一些,每一個都處於一樣的狀態,稱為量子態。這是微觀量子世界的一個特徵,意思是這個量子態與下一個可能的量子態之間的差距,是有固定間隔的。這很像數位系統的0與1,在兩者之間不存在任何數字。沒有0.01或0.99,因此所有的1與0都是貨真價實,完完全全一模一樣的。原子核就是存在於這樣的狀態之中。

如此的話,觀察一群一模一樣的氚原子核,等於重複同一個觀察單獨氚的實驗,照理講應該只能有一個結果。但事實就是,一群原子核不會同時衰變,如此就表示,在同樣條件下,單獨一個氚的觀察,結果將不是確定的。這就是物理學家在20世紀初面對的局面,實驗明白顯示,一樣的因,卻可能得到不一樣的果。

在量子世界中,物理學家能預測的只有機率

這樣的不確定性使物理喪失了對單一原子核預測未來的能力。但話說回來,我們的確能測量或預測原子核的半衰期,這代表如果是一大群原子核,我們可以很精確預測有多少比例會衰變,有多少比例不會衰變。細心的聽眾一定認出了,這就是我們在賭場賭博時遇到的情況。我們無法預測自己這一局的結果,但是賭場老闆卻可以利用機率預測整個場子的賺賠分布。所以在量子世界中,物理學家能預測的只有機率!愛因斯坦對這個情況,完全無法接受,因此也才說出上帝是不玩骰子這句名言。愛因斯坦認為我們的不確定,只是我們對粒子的研究不夠透徹,一定有隱藏的因子,使粒子其實與上述種子是一樣的。可惜這樣的想法,在1960年,被證實是不正確的。

簡言之, 我們對單一個粒子的行為,常是無法掌握的,但我們對粒子行為的機率可以非常精確地預測,所以我們對一群粒子的行為,就可以預測得非常準確的。這樣的理論稱為量子論,幾乎可以說是現代物理的基礎,連半導體這類的日常發明都依賴它,才能運作。因此我們日常使用手機,就是天天在見證量子論這個奇妙的不確定性的原則。

但我們真的要放棄科學可以確定預測單一個體行為的信念嗎?這不確定性是不是只是人類的無知,或是來自更複雜的機制?對於這個問題,費曼就說物理學家其實也還沒有搞定。最妙的一種猜測,就是每一秒鐘,一個原子核衰變與不衰變,其實都發生了,只是存在分開的平行宇宙,所以宇宙一直不斷在分裂。觀察者只能存在其中一個,所以也只能看到一個結果,但究竟是那一個,就只有機率能決定。這有沒有解決問題,見仁見智,但如何驗證,的確是個麻煩。

或許物理學家應該博杯來決定上帝是不是在玩骰子。

下一回的【物理好好玩】,我將和大家分享,「有夢最美,真的嗎?——睡眠與夢對人的意義」,歡迎大家繼續收聽。

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