如何測(cè)量考古發(fā)現(xiàn)中古物的年齡？人為什么不能久住地下室？12月26日12時(shí)，《張朝陽的物理課》第十五期開播。搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮(zhèn)搜狐視頻直播間，從相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系，講到碳-14的衰變、原子核的結(jié)構(gòu)、核子間的強(qiáng)相互作用，并科普了原子核的衰變過程，如α衰變、β衰變等。最后還介紹了關(guān)于衰變的應(yīng)用實(shí)例：土壤中鐳的衰變和古物年代測(cè)定。

復(fù)習(xí)物理學(xué)經(jīng)典的質(zhì)能關(guān)系 引入“能量階梯”概念

張朝陽首先復(fù)習(xí)了經(jīng)典的質(zhì)能關(guān)系E=mc2。科學(xué)界公認(rèn)，這個(gè)公式在不同能量、不同尺度下都適用，但在一般的物理變化和化學(xué)變化中質(zhì)能轉(zhuǎn)化并不明顯，只在核過程中比較明顯。隨后，他引入了“能量階梯”的概念，即物理變化、化學(xué)變化、核過程，能量量級(jí)階梯式增加。

物理變化中，微觀世界的結(jié)構(gòu)沒有變化，例如蛋糕切成兩半、房間溫度提升、挖土蓋房等過程；化學(xué)變化中，則發(fā)生了原子的重組、電子的轉(zhuǎn)移等，化學(xué)鍵斷裂或生成，但原子核沒有變化，例如紙燃燒成灰燼，吃的東西被消化等。而核過程中，有原子核的變化，其微觀能量非常高，經(jīng)常達(dá)到MeV量級(jí)，此時(shí)，質(zhì)量能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系非常明顯，例如原子彈的爆炸過程。

（張朝陽論述“能量階梯”）原子核的穩(wěn)定性：排斥力和吸引力的博弈

關(guān)于核過程，張朝陽補(bǔ)充了原子核的相關(guān)知識(shí)。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。原子內(nèi)部其實(shí)相當(dāng)空曠。如果將原子比作足球場(chǎng)，原子核只相當(dāng)于蘋果大小。原子核雖然小，但原子的質(zhì)量卻主要集中在這里。

中子和質(zhì)子之間的力是核力。這是一種強(qiáng)相互作用力，其勢(shì)能與核子之間的距離關(guān)系如下：

（張朝陽介紹強(qiáng)相互作用和原子核結(jié)構(gòu)） 圖中可見，核子之間距離r較短時(shí)，是排斥力；當(dāng)距離達(dá)到勢(shì)能最低點(diǎn)時(shí)，處于平衡狀態(tài)；當(dāng)距離繼續(xù)增大，核力又變成吸引力，且強(qiáng)度隨距離趨于指數(shù)衰減。總之，它表現(xiàn)為一種短程作用力。

（當(dāng)原子序數(shù)達(dá)到82以上，穩(wěn)定核的曲線偏向于更多中子數(shù)。） 張朝陽介紹到，原子核的穩(wěn)定是核子互相吸引的強(qiáng)相互作用和庫(kù)侖排斥力的平衡所維持的。由于強(qiáng)相互作用力是短程力，核子只和鄰近的核子有吸引力；但是庫(kù)侖力是長(zhǎng)程力，全部質(zhì)子之間都有強(qiáng)烈的排斥力。因此，當(dāng)核數(shù)較小時(shí)，質(zhì)子和中子各占一半就能維持平衡；當(dāng)原子序數(shù)達(dá)到82以上，則需要更多的中子才能維持核的穩(wěn)定。

拆解原子彈爆炸過程 中子慢化為鈾裂變接力產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

接著，張朝陽介紹原子彈爆炸是利用中子轟擊鈾-235產(chǎn)生裂變，釋放出更多中子去轟擊其他鈾核，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。此過程會(huì)釋放巨大的能量。但原子核對(duì)于原子，就像“蘋果”對(duì)“足球場(chǎng)”，中間空蕩蕩的。中子要準(zhǔn)確撞擊原子核有一定困難，所以需要“慢中子”。張朝陽將慢中子比喻成“胖子”——“行動(dòng)力”慢，才容易撞上。

裂變產(chǎn)生的中子速度很高，需要降低“行動(dòng)力”才能保證鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的持續(xù)進(jìn)行。如何降低中子的“行動(dòng)力”呢？這就需要中子減速劑——重水。它是制造原子彈的重要材料。講到這里，張朝陽還介紹了一段歷史故事：二戰(zhàn)時(shí)期，希特勒想要研制原子彈，需要從自然界提取大量原材料用于合成重水，于是把工廠建在挪威山林。美國(guó)方面得到情報(bào)，連續(xù)破壞工廠，迫使希特勒將工廠搬回德國(guó)。搬運(yùn)過程途徑山湖，聯(lián)軍特工成功炸毀船只，導(dǎo)致希特勒計(jì)劃失敗。美國(guó)則成功研制出原子彈，改變了世界格局。

衰變有哪些科學(xué)應(yīng)用？揭曉古物年齡測(cè)量方法

衰變?cè)谏钪杏心男?yīng)用？張朝陽講了有關(guān)α衰變和β衰變的案例。

介紹α衰變時(shí)張朝陽舉例解釋，第一個(gè)是鈾-238的衰變，鈾-238原子經(jīng)過衰變之后變成釷-234，并放射出α粒子；第二個(gè)例子是鐳的衰變，鐳-226原子衰變之后變成氡-222，并且放射出α粒子。

張朝陽提到，土壤、地下巖石和建筑物材料都還有少量的鐳，但是鐳衰變產(chǎn)生的α粒子會(huì)被人體皮膚遮擋，從而不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生大的危害。不過衰變產(chǎn)物氡氣也是一種放射性物質(zhì)，它也會(huì)進(jìn)行α衰變。空氣中的氡氣被人體吸收之后在肺部衰變放射出來的α粒子會(huì)引發(fā)肺癌。他強(qiáng)調(diào)，氡氣是僅次于吸煙的肺癌誘因，“把放射性物質(zhì)直接吸入肺里肯定是不行的，會(huì)有對(duì)身體造成傷害。所以不能長(zhǎng)時(shí)間呆在石材結(jié)構(gòu)的、封閉的地下室，應(yīng)當(dāng)要經(jīng)常開窗透氣，這是醫(yī)學(xué)知識(shí)。”

（鈾和鐳的衰變） 關(guān)于β衰變，張朝陽舉了碳-14的衰變作為例子。碳-14經(jīng)過β衰變會(huì)變成氮-14并且釋放出一個(gè)電子。大氣中的碳-14以二氧化碳的形式存在著，來源于太陽風(fēng)、宇宙射線中的高能中子和氮?dú)獾呐鲎玻虼撕烤S持在一個(gè)穩(wěn)定的水平之上。

此外，張朝陽詳細(xì)說了碳-14衰變?cè)跍y(cè)定文物年代上的應(yīng)用。當(dāng)考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了木乃伊或是古代木器，該如何測(cè)算這些古物的年齡呢？“一般根據(jù)死亡生物體殘余的碳-14推斷它的生存年代。”生物存活時(shí)需要呼吸二氧化碳，體內(nèi)的碳-14含量不變；而死后停止呼吸，不與外界進(jìn)行碳交換，體內(nèi)的碳-14以5730年的半衰期進(jìn)行β衰變并逐漸消失，所以只要測(cè)定剩下的放射性碳-14的含量，就可推斷其年代。

張朝陽對(duì)碳定年法演示了詳細(xì)的計(jì)算。由于β衰變，N個(gè)原子在?t時(shí)間內(nèi)原子數(shù)量的變化是?N=-Nλ?t，解出這個(gè)方程便可以得到衰變?cè)拥臄?shù)目隨時(shí)間的指數(shù)衰減關(guān)系。同時(shí)，張朝陽介紹了活度的概念，即單位時(shí)間內(nèi)的輻射量，活度同樣遵循指數(shù)衰減的變化關(guān)系。碳-14的單位活度是0.25Bq/g，其中Bq為放射性活度單位“貝可”。張朝陽舉例，通過探測(cè)埃及古物樣品中碳-14的實(shí)際活度為0.64Bq，結(jié)合活度的指數(shù)衰減公式，可以求得古物年齡為3300年。這是β衰變?cè)诳脊艑W(xué)上的應(yīng)用實(shí)例。

物理課開播十五期 解釋生活中的物理現(xiàn)象

自11月5日至今，《張朝陽的物理課》已直播十五期。在第一、二課中，張朝陽科普了“力”和“速度”，算出馬斯克的飛船和中國(guó)空間站每日繞地飛行圈數(shù)；第三、四課的內(nèi)容則和“振動(dòng)”相關(guān)，科普了可見光的基本知識(shí)，解釋了早中晚的太陽顏色為何不一樣，以及藍(lán)色天空的秘密；第五、六課引發(fā)了關(guān)于音速和溫度的大討論。

在第七、八、九期則重溫經(jīng)典力學(xué)的兩朵烏云，帶領(lǐng)網(wǎng)友觸摸量子力學(xué)；第十、十一課則重點(diǎn)回顧黑體輻射曲線及其應(yīng)用，試圖重回137億年前的宇宙；第十二、十三、十四期則嘗試進(jìn)入愛因斯坦的思想世界，推導(dǎo)出著名的公式“E=mc2”，并試圖論證“時(shí)間膨脹”和“長(zhǎng)度收縮”效應(yīng)。第十五期則講解原子的結(jié)構(gòu)和原子核的衰變。

觀察生活現(xiàn)象+解釋背后原理+推導(dǎo)演算公式，結(jié)合十四期物理課可以看出，《張朝陽的物理課》是從日常現(xiàn)象引入，幫助網(wǎng)友理解現(xiàn)象，提升興趣，再“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”，解釋知識(shí)點(diǎn)，推演過程，反過來解決生活中的問題。

在后續(xù)課程中，張朝陽還將進(jìn)一步解釋生活中常見的物理現(xiàn)象。通過網(wǎng)友最熟悉的話題，深入淺出，解釋現(xiàn)象，探尋物質(zhì)世界的原理。達(dá)到專業(yè)人士認(rèn)可，普通人能聽懂的效果，并借此激發(fā)科學(xué)學(xué)習(xí)的熱潮。該課程于每周周五、周日12時(shí)在搜狐視頻直播。