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

復習物理學(xué)經(jīng)典的質(zhì)能關(guān)系 引入“能量階梯”概念

張朝陽(yáng)首先復習了經(jīng)典的質(zhì)能關(guān)系E=mc2。科學(xué)界公認，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)能轉化并不明顯，只在核過(guò)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(guò)程，能量量級階梯式增加。

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

（張朝陽(yáng)論述“能量階梯”）原子核的穩定性：排斥力和吸引力的博弈

關(guān)于核過(guò)程，張朝陽(yáng)補充了原子核的相關(guān)知識。原子核由質(zhì)子和中子構成。原子內部其實(shí)相當空曠。如果將原子比作足球場(chǎng)，原子核只相當于蘋(píng)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。這是一種強相互作用力，其勢能與核子之間的距離關(guān)系如下：

（張朝陽(yáng)介紹強相互作用和原子核結構） 圖中可見(jiàn)，核子之間距離r較短時(shí)，是排斥力；當距離達到勢能最低點(diǎn)時(shí)，處于平衡狀態(tài)；當距離繼續增大，核力又變成吸引力，且強度隨距離趨于指數衰減。總之，它表現為一種短程作用力。

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

拆解原子彈爆炸過(guò)程 中子慢化為鈾裂變接力產(chǎn)生鏈式反應

接著(zhù)，張朝陽(yáng)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，這就是鏈式反應。此過(guò)程會(huì )釋放巨大的能量。但原子核對于原子，就像“蘋(píng)果”對“足球場(chǎng)”，中間空蕩蕩的。中子要準確撞擊原子核有一定困難，所以需要“慢中子”。張朝陽(yáng)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”才能保證鏈式反應的持續進(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(yáng)還介紹了一段歷史故事：二戰時(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(chǎng)建在挪威山林。美國方面得到情報，連續破壞工廠(chǎng)，迫使希特勒將工廠(chǎng)搬回德國。搬運過(guò)程途徑山湖，聯(lián)軍特工成功炸毀船只，導致希特勒計劃失敗。美國則成功研制出原子彈，改變了世界格局。

衰變有哪些科學(xué)應用？揭曉古物年齡測量方法

衰變在生活中有哪些應用？張朝陽(yáng)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(yáng)舉例解釋?zhuān)谝粋€(gè)是鈾-238的衰變，鈾-238原子經(jīng)過(guò)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(yáng)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 )對人體產(chǎn)生大的危害。不過(guò)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(lái)的α粒子會(huì )引發(fā)肺癌。他強調，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 )有對身體造成傷害。所以不能長(cháng)時(shí)間呆在石材結構的、封閉的地下室，應當要經(jīng)常開(kāi)窗透氣，這是醫學(xué)知識。”

（鈾和鐳的衰變） 關(guān)于β衰變，張朝陽(yáng)舉了碳-14的衰變作為例子。碳-14經(jīng)過(guò)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(zhù)，來(lái)源于太陽(yáng)風(fēng)、宇宙射線(xiàn)中的高能中子和氮氣的碰撞，因此含量維持在一個(gè)穩定的水平之上。

此外，張朝陽(yáng)詳細說(shuō)了碳-14衰變在測定文物年代上的應用。當考古學(xué)家發(fā)現了木乃伊或是古代木器，該如何測算這些古物的年齡呢？“一般根據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，所以只要測定剩下的放射性碳-14的含量，就可推斷其年代。

張朝陽(yáng)對碳定年法演示了詳細的計算。由于β衰變，N個(gè)原子在?t時(shí)間內原子數量的變化是?N=-Nλ?t，解出這個(gè)方程便可以得到衰變原子的數目隨時(shí)間的指數衰減關(guān)系。同時(shí)，張朝陽(yáng)介紹了活度的概念，即單位時(shí)間內的輻射量，活度同樣遵循指數衰減的變化關(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(yáng)舉例，通過(guò)探測埃及古物樣品中碳-14的實(shí)際活度為0.64Bq，結合活度的指數衰減公式，可以求得古物年齡為3300年。這是β衰變在考古學(xué)上的應用實(shí)例。

物理課開(kāi)播十五期 解釋生活中的物理現象

自11月5日至今，《張朝陽(yáng)的物理課》已直播十五期。在第一、二課中，張朝陽(yáng)科普了“力”和“速度”，算出馬斯克的飛船和中國空間站每日繞地飛行圈數；第三、四課的內容則和“振動(dòng)”相關(guān)，科普了可見(jiàn)光的基本知識，解釋了早中晚的太陽(yáng)顏色為何不一樣，以及藍色天空的秘密；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(xiàn)及其應用，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(ài)因斯坦的思想世界，推導出著(zhù)名的公式“E=mc2”，并試圖論證“時(shí)間膨脹”和“長(cháng)度收縮”效應。第十五期則講解原子的結構和原子核的衰變。

觀(guān)察生活現象+解釋背后原理+推導演算公式，結合十四期物理課可以看出，《張朝陽(yáng)的物理課》是從日常現象引入，幫助網(wǎng)友理解現象，提升興趣，再“透過(guò)現象看本質(zhì)”，解釋知識點(diǎn)，推演過(guò)程，反過(guò)來(lái)解決生活中的問(wèn)題。

在后續課程中，張朝陽(yáng)還將進(jìn)一步解釋生活中常見(jiàn)的物理現象。通過(guò)網(wǎng)友最熟悉的話(huà)題，深入淺出，解釋現象，探尋物質(zhì)世界的原理。達到專(zhuān)業(yè)人士認可，普通人能聽(tīng)懂的效果，并借此激發(fā)科學(xué)學(xué)習的熱潮。該課程于每周周五、周日12時(shí)在搜狐視頻直播。