送走了寧宗訓夫婦,秦克與寧青筠的生活慢慢恢復了原本的狀態,不過寧青筠還是以休息調理身體為主,同時照顧陪伴兩個小寶寶,空閒時才參與秦克的課題研究。
而秦克則開始著手進行資料分析、數學建模,尋找解決核汙水的問題,也就是放射性元素的放射問題。
放射性元素最大的特徵是不穩定,它會從一種物質變成另一種物質,其變化根本在於原子核的變化——是的,放射性元素會自發地從不穩定的原子核內部放出粒子或射線(如α射線、β射線、γ射線等),同時釋放出能量,最終衰變形成穩定的元素而停止放射的元素。
一般原子序數在84以上的元素都具有放射性,原子序數在83以下的某些元素如鎝(Tc)、鉕(Pm)等也具有放射性,不同的放射性元素衰變的半衰期都不一樣,有快有慢,比如放射性碘同位素129I的半衰期為一千五百多萬年,而氡222的半衰期只有3.8天。
半衰期快慢是由原子核內部自身決定的,與外界的物理和化學狀態無關。
但放射性元素的放射問題不能透過物理、化學、生物等方式去除,只能透過自然衰變或者嬗變等方式去除。
所以放射性元素的無害化難度非常高,除非能想法子解決它原子核內部的不穩定性問題,防止或者化解掉“衰變”。
秦克最初的想法是想從量子層面甚至粒子物理的層面去研究放射性元素的原子核不穩定問題。
A+級知識《放射性元素的奧秘》裡記載的知識,也印證了秦克的想法。
元素的放射性與質子和中子的數量存在著特定的關係,比如氫有三個同位素,分比為氕、氘、氚,氕只有1個質子,而沒有中子,氘擁有1個質子和1箇中子,而氚則擁有1個質子和2箇中子,在氫的三種同位素之中,只有氚是具有放射性的。
為什麼質子與中子的數量與放射性有關?
因為將質子與中子結合在一起形成原子核的,就是強相互作用力,即強力。同時質子也是由兩個上夸克和一個下夸克透過膠子在強相互作用力的作用下構成的,可以說強力是保持原子核內部穩定的關鍵因素之一。
但原子核之中不僅有強力,還有著另外的一種力——電磁力。
電磁力在原子核之中是以“排斥力”的身份存在的,一般情況下,電磁力與強力相比要弱小很多,這種排斥力並不會影響到原子核的穩定性,可電磁力是長程力,強力則是短程力,在原子核內部因為作用距離長,所以電磁力是可以疊加的,而作用距離很短的強力卻無法疊加。
原子核內的強力不會發生變化,而與其相對的電磁力卻會因質子數量的增加而增大,所以當原子核內質子數量達到足夠多時,電磁力便可以與強力相抗衡了。當原子核內的電磁力大到足以抗衡強力時,原子核內部力平衡就會被打破,從而導致原子核變得極不穩定。
——這就是為什麼原子序數在84以上的元素都具有放射性。
不平衡狀態要變回平衡,就像天平的兩端不平衡,要麼增加輕的那端的質量,要麼減小重的一端質量。
放射性元素的解決辦法是將多餘的質子中子釋放出去,使力與內部能量恢復平衡,這就是衰變過程。
衰變過程根據釋放的形式不一樣(如α射線、β射線、γ射線等),產生的能量不同,分為α衰變、β衰變、γ衰變。
α衰變是一種核裂變,當中涉及量子物理學中的隧穿效應。原子核內的質子和中子是往往以α結團的形式組合在一起,也就是兩個質子和兩個中子,所以當一種元素向外扔出去一個α結團,就是發生了一次α衰變,減少了兩個質子和兩個中子,所以α射線亦稱α粒子束,高速運動的氦原子核,帶正電。簡而言之,α衰變和隧穿效應、強相互作用作用有關。
β衰變是指放射電子(β粒子)和中微子而轉變為另一種核的過程。因為β衰變實質是在弱力的作用下,一箇中子轉化為質子,產生名為β射線的高速運動的電子流e。簡而言之,β衰變和弱相互作用、能量最低原理有關。
γ衰變是原子核從不穩定的高能狀態躍遷到穩定或較穩定的低能狀態,並且不改變其組成成分的過程,它和能量最低原理有關。在γ衰變中會放出γ射線,這種射線是波長短於0.01埃的電磁波,具有波粒兩重性,不帶電。
一種放射性元素可能會發生α衰變、β衰變和γ衰變,比如最著名的鈾。
但關鍵問題是,無論α衰變、β衰變還是γ衰變,它的發生時刻是隨機的,即衰變是一種隨機事件,任何一種放射性元素都可能在下一秒就發生衰變,也可能在10億年後才衰變。至於半衰期描述的只是一種機率時間,即大量的同類放射性元素集合在一起時,大概有一半的元素髮生衰變的時間。
想讓放射性元素無害化,關鍵在於控制這種“衰變隨機事件”。比如讓它們10億年、100億年地不發生衰變,自然就沒有放射性危害了,又或者控制它們在同一瞬間同時發生衰變,轉化為無害物質。
可惜至今為止,都沒任何理論能解釋這種隨機性,也沒有任何一種理論能控制這種隨機性。
《放射性元素的奧秘》只是A+級知識,並非S級知識,它還有待完善之處,或者說缺失了一塊拼圖。
秦克認為,想補上這塊拼圖,就要研究清楚強力與電磁力之間的關係。
從二月起,秦克就一直與寧青筠、愛德華·威滕教授研究“強相互作用力與電磁力的理論統一”課題,後來邱老先生、凱倫·烏倫貝克教授也加入其中,共同對規範群為SU(3× SU(2× U(1的規範場論進行深入的最佳化與拓展。
經過近四個月的研究,與數位規範場論大宗師的反覆思維對碰,再加上從這份《放射性元素的奧秘》裡產生的疑問中獲得的靈感,秦克感覺自己即將握住了將強相互作用力與電磁力之間真正關聯統一起來的關鍵鑰匙。
他叫上寧青筠,兩人將晚上的時間都投入到這個課題的研究之中。
在6月16日父親節這天的早上,距離笑笑和錚錚滿月還有一天,秦克腦海中終於迸現出靈感的火花。
這將會是,再次照亮物理大一統前景的靈感火花!
 本章完