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如何测量木乃伊的“年龄”?浅谈张朝阳物理课
  • 2022-01-05 11:07

考古发现中如何测量古物的年代?为什么人不能长期住在地下室?12月26日12: 00,第15期张朝阳物理课播出。搜狐创始人、董事长兼CEO张朝阳坐在搜狐视频直播间,从相对论的质能关系出发,讲述了碳-14的衰变、原子核的结构以及核子之间的强相互作用,推广了原子核的衰变过程,如α衰变、β衰变等。最后介绍了衰变的应用实例:土壤中镭的衰变和古物的年代测定。

复习物理经典中质量和能量的关系,引入“能量阶梯”的概念

张朝阳首先回顾了经典的质能关系E = MC。科学界普遍认为,这个公式适用于不同的能量和尺度,但质能转换在一般物理变化和化学变化中不明显,仅在核过程中明显。后来他引入了“能级阶梯”的概念,即物理变化、化学变化和核过程,能级逐步升高。

在物理变化上,微观世界的结构并没有改变,比如把蛋糕切成两半,提高室温,挖掘建造房屋等等。在化学中,原子重组、电子转移等。发生,而化学键被打破或生成,但原子核却没有发生变化,例如,纸被烧成灰烬,食物被消化等。在核过程中,原子核内有变化,其微观能量很高,往往达到MeV级别。这时,质量和能量转换的关系非常明显,比如原子弹的爆炸过程。

(张朝阳讨论“能量阶梯”)

核稳定性:排斥和吸引的游戏

关于原子核的过程,张朝阳补充了一些关于原子核的知识。原子核由质子和中子组成。原子内部实际上是空的。如果你把一个原子比作一个足球场,原子核只有苹果那么大。原子核虽小,但原子质量主要集中在这里。

中子和质子之间的力就是核力。这是一种很强的相互作用力,势能与核子间距离的关系如下:

(张朝阳介绍强相互作用和核结构)

从图中可以看出,当核子之间的距离r很短时,就是排斥力;当距离达到势能最低点时,处于平衡状态;当距离继续增加时,核力再次变得有吸引力,强度随距离呈指数下降趋势。一句话,就是短程力。

(当原子序数达到82以上时,稳定核的曲线趋于更多的中子数。)

张朝阳介绍,原子核的稳定性是由原子核吸引的强相互作用和库仑排斥的平衡来维持的。因为强相互作用力是短程力,核子只对邻近的核子有吸引力;但是库仑力是一种长程力,所有的质子都有很强的斥力。因此,当原子核数较少时,可以用一半质子和一半中子维持平衡。当原子序数达到82或更高时,需要更多的中子来维持核的稳定性。

在拆除原子弹爆炸的过程中,中子慢化为铀裂变接力,产生了连锁反应。

随后,张朝阳介绍,原子弹爆炸是利用中子轰击铀-235产生裂变,释放出更多的中子轰击其他铀核,这是一个链式反应。这个过程会释放出巨大的能量。但是原子核对于原子就像苹果对于足球场一样,中间是空的。中子很难准确击中原子核,所以需要“慢中子”。张朝阳把慢中子比作“胖子”——“慢机动性”使它很容易击中他们。

裂变产生的中子速度较高,需要降低“作用力”来保证连续的链式反应。如何降低中子迁移率?这需要中子减速剂——重水。它是制造原子弹的重要材料。此时,张朝阳还介绍了一个历史故事:二战期间,希特勒想研制原子弹,需要从自然界中提取大量的原材料来合成重水,于是他在挪威山区建起了自己的工厂。美国方面得到情报,不断摧毁工厂,并迫使希特勒将工厂迁回德国。在运输过程中,联军特工成功炸毁了船只,导致希特勒的计划失败。美国成功研制出原子弹,改变了世界格局。

衰变有哪些科学应用?揭示古代的年龄测量方法。

衰变在生活中有哪些应用?张朝阳讲了α衰变和β衰变的情况。

张朝阳举了一个例子来解释α衰变。第一个是铀238的衰变。衰变后,铀-238原子变成钍-234并发射出α粒子。第二个例子是镭的衰变。镭-226原子衰变后,变成氡-222,放出α粒子。

张朝阳提到,土壤、地下岩石和建筑材料中仍有少量镭,但镭衰变产生的α粒子会被人体皮肤阻挡,因此不会对人体造成很大伤害。但是,氡这种衰变产物,也是一种放射性物质,也会发生α衰变。空气中氡散发的α粒子被人体吸收后在肺部衰变,会导致肺癌。他强调,氡气是仅次于吸烟的肺癌的原因。“绝对不可能将放射性物质直接吸入肺部,这样会对身体造成伤害。因此,不能长时间呆在石头结构、封闭的地下室里,要经常开窗通风。这是医学知识。”

(铀和镭的衰变)

关于β衰变,张朝阳举了碳-14衰变为例。β衰变后,碳-14将变成氮-14并释放出一个电子。大气中的碳-14以二氧化碳的形式存在,来自太阳风和宇宙射线中的高能中子与氮气的碰撞,所以含量维持在稳定水平。

此外,张朝阳详细描述了碳-14衰变在文物断代中的应用。当考古学家发现木乃伊或古代木制品时,他们如何计算这些古物的年代?"一般来说,死亡生物体的年龄可以从其残留的碳14推断出来."生物体生存时需要呼吸二氧化碳,体内碳-14的含量保持不变。死后,我们停止呼吸,不与外界交换碳。体内的碳-14衰变为半衰期为5730年的β,并逐渐消失,因此只要测量剩余放射性碳-14的含量,我们就可以推断其年龄。

张朝阳演示了碳测年方法的详细计算。由于β衰变,n个原子中的原子数在t时间内的变化为n =-n λ t,通过求解这个方程,可以得到衰变原子数随时间的指数衰变关系。同时,张朝阳引入了活度的概念,即单位时间的辐射量,活度也遵循指数衰减的变化关系。碳-14的比活性为0.25Bq/g,其中Bq是“聪子”的活性单位。比如张朝阳发现埃及古物样品中碳-14的实际活度为0.64Bq,结合活度的指数衰减公式,可以发现古物的年龄为3300年。这是β衰变在考古学中的一个应用实例。

第15期物理课开讲,讲解生活中的物理现象。

从11月5日开始,张朝阳的《物理课》15期直播。第一课和第二课,张朝阳学会了“力”和“速度”,算出了马斯克飞船和中国空间站的日常飞行圈数。第三、四课的内容与“振动”有关,介绍了可见光的基本知识,解释了为什么早上、晚上太阳的颜色不同,以及蓝天的秘密;第五课和第六课引发了一场关于声速和温度的大讨论。

第七期、第八期、第九期,我们重温经典力学的两朵乌云,带领网友触摸量子力学。第10、11课重点复习黑体辐射曲线及其应用,试图回到137亿年前的宇宙;第12期、第13期、第14期试图进入爱因斯坦的思想世界,演绎著名公式“E = MC”,试图论证“时间膨胀”和“长度收缩”的效应。第十五期将解释原子的结构和原子核的衰变。

观察生活现象+讲解背后原理+推导计算公式,结合第14节物理课可以看到,张朝阳的物理课是从日常现象引入,帮助网友理解现象,提升兴趣,然后“透过现象看本质”,讲解知识点,推导过程,反过来解决生活中的问题。

后续课程中,张朝阳将进一步讲解生活中常见的物理现象。通过网友最熟悉的话题,用简单的语言解释现象,探索物质世界的原理。达到专业人士能认识,普通人能理解的效果,激发科学学习的热潮。课程每周五、周日12点在搜狐视频直播。

(编辑:钟)

来源:中国网科技


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