比引力还强！弱相互作用力是什么？夸克因它而变“味”

科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第12课：弱力】

除了妇孺皆知的引力，自然界还存在其他三种性质的力，分别是强相互作用力，电磁作用力，弱力。这三种力和引力一起构成了自然世界的四大基本作用力。

除此之外，我们暂未发现第五种，第六种力......

在四大基本作用力中，最晚发现也是最易被忽视的就是弱力。弱力其实并不是最弱的力，它至少比引力强。生活中我们经常接触电磁信号，磁铁等，对电磁力也是熟悉不过了。强力顾名思义就是最强的力，正是由于强力的存在，才把夸克们拉拢在一起并组成了质子和中子。

强相互作用力

我们最陌生的就是弱力，一般科普文只是提及一下弱力与β衰变有关，就草草了事了，显得弱力并不重要似的。其实任何一种力都很重要，我们经常听到的核辐射就是弱力作用的结果。

众所周知，原子由原子核和核外电子构成，再回想一下元素周期表，原子核中的质子每增加一个(氢除外)，其原子序数就增加上升一位。

原子核之所以带正电在于质子带正电，原子序数越大，意味着原子核内的质子数越多，并导致核外电子越多。为了使原子整体呈现电中性，核外电子的数目只能同步跟随质子的数目，这样才能抵消掉质子的电性。

原子核中质子数的增多，势必导致核外电子数目的增多。一群电子围绕原子核旋转，就好像小弟们跟着大哥混一样。如果跟着大哥混的小哥们越来越多，大哥和每个小弟之间的关系就会越来越生疏。如果小弟们太多了，大哥也就很难管了，于是离心离德的事就出现了。

核外电子越多，原子核越难束缚住它们。电子们总是蠢蠢欲动地想着逃脱，而原子核总想笼络住它们，这就导致原子结构不稳定了。

一般情况下，原子序数在83以上的元素都不稳定，原子数为83的元素师铋，也就是说铋以上的元素原子结构并不稳定，毕竟核外电子太多了。这也是科学家喜欢用铀、钚这样的元素做核裂变原料的原因了，因为它们的原子结构很容易被拆散。

原子核该如何化解原子结构的不稳定性？

核外电子太多了，原子核笼络不住躁动的电子。俗话说得好，强扭的瓜不甜，那原子核就放人家电子一条生路算了，让人家走吧！原子核就像皇帝，只求掌控的原子帝国稳定就行，至于核外电子的“死活”，它才不在乎呢。

既然核外的电子闹的凶，那就放它们走，只要保证原子帝国稳定就行！原子核还比较“鸡贼”，放人家走也显得自己太被动了，还不如自己主动改革，落个好名声。

原子核是这么“想”的：把闹事的电子都轰走，其余的都是良民，好维稳。只要自己减少几个带正电的质子，那么核外电子势必就会相应地离开几个电子。这样不仅可以达到目的，还显得自己很主动的“改革”了。

一开始核外电子闹的凶，于是起初改革力度就比较大，原子核会直接扔出一个氦-4，其实就是扔出去了两个质子和两个中子，同时核外电子也就脱离了两个。

α衰变

原子核这时候再看看核外电子的反应，如果大家不闹了，就证明原子结构稳定了，如果还闹就继续扔质子，直到稳定。

其实这就是α衰变，有时候原子核衰变一次就让原子稳定了，而有时候得多衰变几次才能稳定。

α衰变其实就是放出质子和中子，它们的能量并不大，但是电离性强，对人体的危害没有其他辐射大。

原子核也不傻，如果原子结构仅仅只是稍微地不稳定，那么它就完全没有必要直接释放质子来稳定原子结构，这种做损失就有点大。

原子核会想，如果仅有一个电子“闹事”，那么就没必要通过α衰变释放两个质子来维稳。它可以直接把那一个“闹事”核外电子抓住，也就是把它收买了，直接让它与原子核内的质子中和掉就完事了。

而大部分时候，原子核是抓不住电子的。那么就得想其他办法

反正这时候原子核可不想直接通过抛出两个质子和中子的方式维稳了，因为这样只会让原子核越来越轻，得不偿失。

那能不能让质子变成中子呢？这样既能保持原子核的总质量不变，还会让质子数减少，反正质子减少之后变成了中子(会释放正电子或电子，但是电子质量相较于质子可以忽略不计)，还在原子核内，这就叫肥水不流外人田。

其实质子和中子是可以相互转化的。因为质子和中子都是由夸克构成的，夸克的不同组合形式就体现出质子或中子。

要让质子变成中子可以从夸克层面入手

夸克之间是依靠强相互作用力捆在一起并组成了质子或中子。不要指望用把夸克打乱再重新组合的方式让质子变成中子，因为强相互作用太强大了。

但夸克分有六种“味”，最常见的两个“味”是上夸克和下夸克。

质子是由两个上夸克和一个下夸克构成，中子是由一个上夸克和两个下夸克构成。

上、下夸克之所以不同，在于“味”不同。要是直接可以变“味”，那么上、下夸克就可以自由切换了。一个下夸克变“味”之后就成了上夸克。

让质子与中子互换，在逻辑上有两种方式

第一种就是：把质子的一个上夸克分出来给中子；于此同时，中子把它的一个下夸克再还给质子，这样质子和中子就完美换身了。但事与愿违，由于强相互作用力，你休想把夸克分开。夸克之间距离越远，其强力越大，这就是夸克禁闭效应。

第一种方式在逻辑上行得通，但理论上却行不通。

第二种方式：我们可以直接让上夸克变“味”，让它变成下夸克。而控制这种变“味”的力量就弱相互作用力。

通过弱相互作用，质子内的一个上夸克变“味”成一个下夸克，则质子变成了中子，并释放正电子，这是正β衰变。正β衰变就是释放了正电子(电子反物质)，所以才得名正β衰变。

而很多时候，原子结构的不稳定并不是因为核外电子太多了，而是核外电子少了。这个时候就需要增加质子数来稳定原子结构。

同样地，增加质子数依旧可以通过夸克“味”变来进行。比如让中子(一个上夸克，两个下夸克)的一个下夸克通过弱力变成一个上夸克，这样中子就变成了质子(两个上夸克，一个下夸克)了。并释放电子(β粒子)和反电子中微子。

这种情况下释放的电子也称β粒子，其速度达到了光速的90%。由于β粒子是带负电的电子，所以这种衰变也叫负β衰变。并且β衰变以负β衰变为主。

造成β衰变最常见的形式是通过弱力引起的夸克“味”变，进而导致中子与质子互换，并释放β粒子。所以我们也常说β衰变是弱力的主要体现方式。

还有一种衰变是γ射线，其本质就是高能电磁波。

γ射线能量最强，穿过人体会导致DNA的碱基对序列紊乱，导致基因错位表达。这就是核辐射的一种体现。

不管是哪种衰变，其本质无非是原子核为了使原子结构达到最稳状态而采用的手段。这就是元素的放射性，或者叫辐射性。