文章來源：萬象經驗

原文作者：Eugene Wang

1896年，當時法國物理學家亨利·貝克勒爾聽說了最近發現的X射線，他決定尋找發射出類似于X射線的東西。貝克勒爾認為，熒光現象可能以某種方式與 X 射線有關，因此他設計了一個實驗來證明——貝克勒爾計劃將鈾鹽晶體樣本暴露在光下。他在太陽光下將這些晶體與一個金屬物體放在未曝光的照相底片上，他認為如果沖洗后的底片顯示出該物體的圖像，那么這表明熒光鹽晶體實際上正在發射X射線。

但在1896年2月26日至27日，巴黎天空烏云密布，持續地下著雨，因此貝克勒爾被迫推遲了他的實驗。他用黑布包裹著鈾鹽晶體連同照相底片和銅制馬耳他十字，等待幾天后陽光明媚的日子。幾天后，當貝克勒爾取出他的東西時，他驚訝地發現底片上出現了馬耳他十字的清晰圖像，但它們卻從未暴露在陽光下。唯一可能的結論是，晶體本身正在發射輻射。

之后貝克勒爾多次重復該實驗，他寫道：我現在確信，鈾鹽即使被保存在黑暗中也會產生不可見的輻射，無論發出什么，都是類似于X射線的穿透形式的輻射，并且在原子沒有受到外部激發的情況下自行發出的。

貝克勒爾還對鈾鹽進行多種處理，如加熱晶體再將其冷卻，將其磨成粉末，將其溶解在酸中，以及他能想到的其他一切，但神秘輻射的強度始終保持不變。很明顯， 物質的這種新特性與化學方式無關，它是隱藏在原子本身深處的一種特性。

1898年，居里夫婦開始對這種新發現的現象產生興趣。居里夫婦開始研究這些鈾射線的奇怪性質，并創造了“放射性”一詞來描述這種新現象。居里夫婦測量不同放射性同位素發出的輻射強度，并很快就發現了鈾射線中的其他放射性元素：釙、釷和鐳。

然后在1899年，28歲的歐內斯特·盧瑟福發現實際上存在三種不同的輻射：α、β和伽馬輻射。α粒子，可以被一張薄紙阻擋，并且在空氣中的射程非常短，盧瑟福后來發現α粒子由兩個質子和兩個中子結合在一組成。β粒子比α粒子更具穿透力，并且可以在空氣中傳播得更遠，它們能夠穿過紙張，但后來發現被幾毫米的鋁阻擋。這些β粒子只是快速移動的電子，從原子核內部噴射出來。最后是伽馬射線，現在它們被發現是高頻電磁輻射。

因為α粒子由兩個質子和兩個中子組成，并且由于α粒子從原子核中噴射出來，因此當放射性原子核發射α粒子時，它實際上會變成不同的元素。換句話說，放射性α衰變是核煉金術的一種形式，具有將一種元素變成另一種元素的能力。那么β衰變呢？在β衰變期間，原子核內部有一個中子變成一個質子和一個快速移動的電子，電子被從原子核中噴射出來。在這種情況下，質量數保持不變，但現在原子核內多了一個質子，所以這次我們也得到了一種新元素。注意，實際上還有另一種粒子參與了這個過程，那就是反電子中微子，它是一種中性粒子，負責帶走放射性衰變的一些能量。

最后是伽馬輻射，因為伽馬輻射只是高頻電磁輻射，并且由于電磁輻射既無質量又無電荷，伽馬衰變的衰變方程并不是特別有趣或有啟發性。為了接下來的量子隧穿，這三種核輻射我們只關注α輻射，為長期存在的α粒子悖論提供解決方案。

理解這個悖論我們需要理解盧瑟福在1910年的工作。當時，盧瑟福正在進行一系列實驗，其中涉及發射α粒子——由放射性同位素釙212發射到鈾238樣品。盧瑟福能夠證明，α粒子和鈾原子核之間的相互作用遵循靜電排斥的庫侖定律。根據庫侖定律，如果兩個帶電物體Q1和Q2相距距離r，則這兩個物體產生的靜電勢能由以下表達式給出。

通過研究α粒子靠近鈾原子核時的散射角，盧瑟福得出結論，對于鈾238 核，相鄰α粒子感受到的勢能函數將遵循庫侖定律。此時α粒子直接向鈾核發射，由于靜電排斥力的存在，它在接近鈾核時會減慢速度，然后停止在最接近的位置，最后反向加速逃離。在最接近點，α粒子的所有動能都已轉換為電勢能。

在盧瑟福進行的實驗中，他使用放射性同位素釙212發射的α粒子，該粒子的初始動能為8.78MeV。在最接近的距離處，所有這些動能都將轉換為勢能，因此我們可以使用庫倫勢能推算出它們之間最近的距離是3×10^-14 米。

因此盧瑟福能夠從他的α粒子散射實驗中得出結論：在距離大于3×10^-14 米，描述α粒子和鈾核相互作用的勢能方程遵守庫侖定律，我們可以在圖中畫出來。對于更小的距離，人們普遍認為庫侖定律適用，直到α粒子核鈾核之間的距離與鈾核的半徑相當。然后對于比這更小的距離，預計勢能與r成反比的關系不再成立。

對于小于核半徑的分離，勢能曲線到底采取什么形式，鈾238核偶爾會發射α粒子這個現象可以提供線索。假設α粒子在發射之前必須存在于此類核內，因此α粒子可以被認為是通過吸引的負勢與原子核結合在一起。因此在將現有證據拼湊在一起后，人們相信描述α粒子和鈾相互作用的勢能函數如上圖中綠色虛線所示。這個結論后來通過回旋加速器在高能下產生的粒子散射的實驗得到了驗證。

到目前α粒子悖論還沒出現。但正如我們已經提到的，鈾238核也發射α粒子，并且通過實驗已經確定，發射的α粒子的動能始終為4.2MeV。這個動能是當α 粒子距離鈾核很遠時測量的動能，此時勢能可以忽略不計。因此這個4.2MeV的能量代表了現在α粒子的總能量。

如果我們將這個能量用紅線畫在圖中，那么我們就能立即看到該圖的問題。總能量為4.2MeV的α粒子最初被束縛在原子核內，它根本無法通過明顯大于4.2MeV的勢壘。但在鈾的放射性衰變過程中，α粒子似乎以某種方式穿透了這個屏障。

從經典物理學的角度來看，這是不可能的。就好像一個球沿著一條光滑的路徑滾上山，但球沒有足夠的動能到達山頂，卻突然穿過山到達另一側并滾下去。所以這一切到底是怎么發生的呢？

答案在于1928年的量子力學，愛德華·康頓和喬治·伽莫夫通過將α粒子發射視為量子力學勢壘穿透問題，提供了解決該問題的方法，這也被稱為量子隧穿效應。

審核編輯：湯梓紅