宇宙中有α射线、β射线和γ射线,但我们通常只听说有γ射线暴,这是因为它们的性质不同决定的。
所谓α射线和β射线释放出来的是粒子,但γ射线发射出来的是光子。
α射线
α射线通常在恒星内部产生,它释放出氦-4原子核被称为α粒子;当大质量的放射性元素比如铀或镭等,当它们发生α衰变时,也会向外释放α粒子。
(恒星内部氢的P-P链聚变反应会产生一个氦-4原子核,这就是α粒子)
我们知道,氦原子核由两个质子和两个中子组成,它的外围通常有两个电子,因此氦原子通常对外不带电。但失去了外围电子的α粒子带两个正电荷,所以它很容易受到周围电场的影响。
(带正电的α粒子很容易在电场的作用下发生偏转)
β射线
β射线就是高速电子流。与α射线的产生相类似,元素的核聚变与核裂变过程中都有可能会产生β射线。
在恒星内部,强大的高温高压会将两个氢原子核(质子)挤压在一起,当两个质子发生合并时,会产生一个双质子的氦核。这个氦核并不稳定,它会发生β衰变,其中一个质子会向外释放一个正电子和一个中微子,同时自己转变成中子。这时候,两个质子的氦核衰变为一个质子与一个中子的氘原子核。β衰变过程中释放的正电子就是正β射线。
1H + 1H → 2H + e+ + νe
核裂变也会产生β射线,它实际上就是一个带负电荷的电子。
(β衰变)
γ射线
γ射线是宇宙中最广泛存在的电磁辐射形式。
与α射线和β射线一样,γ射线也可以通过核聚变与核衰变的过程产生,在β衰变产生一个正电子后,它会迅速与附近的电子相互湮灭,同时向外释放两个γ射线光子;当氘核与一个质子发生聚变的过程中也会产生γ射线光子。因此只要聚变发生,在很多情况下都会产生大量的γ射线光子。
尽管在放射性元素衰变的过程中也会产生γ射线,但宇宙中绝大多数的γ射线都是由核聚变过程产生的。
(伽马射线流)
恒星内部的核聚变会产生伽马射线;当大质量恒星发生坍塌,变为中子星或黑洞时,会爆发出强大的γ射线;当两个中子星相撞、黑洞合并或者黑洞吞噬恒星时,都会向外辐射强大的γ射线。我们通常将这些强大的γ射线流称为γ射线暴。
为什么没有α射线和β射线暴?
我们通过前面的分析,已经了解到α射线实际上是α粒子流,而α粒子是携带了两个正电荷的氢原子核;β射线则是电子流,正电子的正β射线很快会与周围的电子发生湮灭,所以正β射线很短命。如果是负电子流会走得很远吗?并不能,因为电子携带了负电荷,它也很容易受磁场影响而发生偏转。
α粒子比较重,它携带的能量也比较大,但它却无法穿透一张书写纸;β粒子是电子,所以一张铝箔就可以将它拦住;伽马射线则不同,你需要比较厚的铅板才能阻挡它。
(α射线、β射线和γ射线的穿透力示意图)
伽马射线之所以有如此强大的穿透力,因为它既是无质量的粒子又是波。γ射线是电磁波,它的波长在0.01纳米以下,因此绝大多数物质原子间的空隙对于γ射线来说是空旷的,它不容易受到原子核或电子的阻挡。Cs-137放射源产生的γ射线在穿透3.2cm的铝板、2.6cm的铁板、1.4cm的铜或0.6cm的铅板后,还能剩下50%的强度。由此可见γ射线的穿透力是非常强的。
总结
α射线、β射线和γ射线在宇宙中都广泛存在,无论是恒星演变过程中的核聚变,还是在宇宙中放射性元素的衰变过程中,都会辐射这三种粒子。
α射线、β射线粒子的穿透力很弱,同时又因为它们本射携带电荷,因此很容易受电场影响而发生偏转,它们都无法走多远。这是我们极少在太空中探测到α射线、β射线粒子的原因。
γ射线在宇宙中广泛存在,它是强大并且极具穿透力的光波,因此我们可以很容易地探测到遥远恒星、超新星爆发、中子星以及黑洞发射的强大γ射线流。
(超新星爆发所产生的γ射线暴可以发射到几千万光年的距离)