宇宙中经常发生γ射线暴和X射线暴,为何没听过有α、β射线暴?

α射线是高速氦原子核,β射线是高速电子,两者都带电荷,所以α射线和β射线的穿透力有限,很容易被星际气体和尘埃阻挡;而γ射线是波长很短的光子,光子不带电,加上高能光子的穿透力很强,所以宇宙中天体发出的射线很容易到达地球表面。

在涉及核辐射时,我们会听到一些名词,比如X射线、伽马射线、α射线、β射线、中子辐射等等;在天文学中,我们经常听到伽马(γ)射线暴,但没听过有什么α射线暴、β射线暴,我们就来逐一了解这些射线的本质。

α射线

α射线其实就是高速运动的氦原子核,由两个质子和两个中子组成,带两个单位的正电荷;很多重原子核不稳定,在衰变时就会释放α射线变为较轻的原子核,直到稳定为止。

比如钋-210的半衰期为138天,衰变类型就是α衰变,衰变方程式为:

Po(210,84)→Pb(206,82)+He(4,2);

穿透力:氦原子核带正电,而且具有较大的质量,对应的α射线穿透力很弱,但是很容易把其他物质电离,一张纸就能α射线阻挡下来,甚至无法穿透皮肤,在空气中也只能行进几厘米。

释放α射线的物质在人体外时伤害有限,可一旦进入人体内,就会产生很大的危害,能杀死细胞,打断周围细胞的DNA。

β射线

β射线其实就是高速电子流,分为β-射线和β+射线,前者是高速负电子,后者是高速正电子,带一个单位的负电荷或者正电荷,常在物质衰变时产生。

比如碳14半衰期为5730年,在进行β-衰变后就会变为氮-14;钠22的半衰期为2.6年,在进行β+衰变后就会变为氖-22,方程式分别为:

C(14,6)→N(14,7)+e(-);

Na(22,11)→Ne(22,10)+e(+);

穿透力:电子的质量远小于氦核,所带电荷只有α射线的一半,所以β射线的穿透要强于α射线,可以轻松穿过一张纸,也能穿透人体皮肤,但是会被几毫米厚的铝纸阻挡下来。

由于穿透力强,β射线引起的危害非常大,摄入一定量的β射线辐射量会引发癌症、白血病、后代畸形等等,人体摄入过多的β辐射还会造成死亡。

X射线和γ射线

两者都是高能光子,或者说是波长很短的电磁波,其中X射线的波长在0.001~10nm之间,小于0.001nm的电磁波称作γ射线,所以γ射线的能量是高于X射线的。

一般来说,X射线大多产生于原子核外电子从高能级向低能级的跃迁,γ射线常产生于原子核在发生α衰变和β衰变中;宇宙中一些极端的天文现象中,也会产生X射线和γ射线。

穿透力:光子没有静止质量,也不带电荷,动质量也非常小,X射线和γ射线的穿透力非常强,γ射线甚至可以穿透1米厚的水泥墙和20厘米厚的铅板。

由于γ射线具有极高的能量,也很容易进入人体内部,所以γ射线的危害非常大;比如骇人听闻的钴弹,就是利用钴-60衰变释放1.17 MeV和1.33 MeV的γ射线,来对生物造成伤害,据说一枚钴弹在平流层爆炸,就能杀死地球上所有的人。

中子辐射

不明思议就是高速的中子,由于中子不带电,所以只能通过强力与之发生相互作用,中子辐射具有很强的穿透力,对人体产生的危害比γ射线更严重,这也是核辐射中危害最大,也最难防范的。

总结

知道了以上各种射线的特点,其中α射线和β射线由于带电荷,受库仑力的作用,所以很容易被宇宙中的星际气体和尘埃阻挡,即便能到达地球,也会被地球的磁场阻挡在外,即便穿过了地球磁场,也无法穿过厚厚的大气层。

中子辐射虽然穿透力强,但产生中子辐射的情况并不多,而且自由中子的平均寿命只有大约15分钟,然后会通过β衰变转化为质子,同时释放一个电子和一个反中微子。

光子才是宇宙中的重要信使,无论是可见光,还是不可见的电磁波,都能在宇宙中穿过很远的距离,尤其是X射线和γ射线几乎不受星际气体的阻挡,而且强烈的天体活动会产生大量的X射线和γ射线,所以地球上经常能探测到来自于宇宙中的X射线暴和γ射线暴。