地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

太阳系诞生至今已有46亿年的历史,地球的年龄也大约有46亿年。人类是由原子构成的,那么是否也意味着人类身体内的原子的寿命也有46亿年?

这是一个很有趣的问题,深挖一下,构成该宏观物体的粒子的寿命与宏观物体的寿命一样吗?原子有寿命吗?它的寿命是多少?

为了解释清楚这个问题,我们先从别的方面切入。

人体主要由哪几种原子构成?

无论是天上飘的白云,还是地下跑的马儿,都是由原子构成的,整个太阳系也是由原子构建而成的。

包括人造和天然存在的,目前人类已经发现118种元素,而地球上总共存在90多种天然元素,地球上的碳基生命主要由28种元素构成。人体主要由氧、碳、氢、氮、磷、硫、氯、钾、钠、钙和镁这11种元素构成,它们占据人体总质量的99.9%,此外人体中还含有十几种必要的微量元素。

地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

这里需要说明一下,同一种元素可能存在好几种同位素(质子数相同,中子数不同),其中的一种我们称之为核素,一种核素便对应着一种原子。

比如氢元素,它是宇宙中最简单的元素,它就拥有三种同位素。在宇宙中氢以氕H、氘D和氚T三种同位素的形式存在,其中氕作为氢元素的一种核素,其在自然界中的相对丰度大约为99.985%,我们通常所说的氢原子就是指的氕,它由一个质子和一个电子构成,质量数为1,它是宇宙中最简单的原子。而氘则由一个质子、一个中子及一个电子构成,质量数为2,相对丰度约为0.015%;至于氚的相对丰度则低于0.001%,质量数为3,原子核中含有一个质子、两个中子。

地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

上图为氕和氘的原子结构示意图

原子的寿命有长有短

原子的寿命并不是无限的,不同种类的原子的寿命是不同的。稳定原子的寿命,理论上与宇宙的寿命相当。不稳定的原子的寿命是不同的,长的可达几十亿年,短的不过数秒。

原子由质子、中子和电子构成,稳定元素的原子的寿命,可以用这些粒子的平均寿命来估计。其中,电子的平均寿命无限,自由质子的平均寿命至少为10^35年,自由中子的平均寿命约15分钟。不过中子在原子核的束缚下,寿命会变得非常长,中子同样能够稳定原子核。通常认为质子非常稳定,不易发生衰变,寿命比宇宙的寿命还长。由此可见,由这些粒子构成的稳定元素的的原子的寿命也是非常长的,如果不发生意外,几乎与宇宙的寿命一样长。

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而不稳定的原子,其寿命千差万别。所有的放射性核素都是不稳定的,它们会自发的以向外界发射出粒子或者射线的形式,衰变成稳定的原子。元素周期表中原子序数(或质子数)84及以后的元素都是放射性元素,许多稳定元素也都拥有放射性同位素,它们会通过衰变转变为稳定的元素。

对于放射性元素的寿命,即不稳定原子的寿命,我们可以用半衰期来描述。

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上图为部分核素的半衰期

那什么是半衰期呢

半衰期是针对放射性元素(更准确一点,应该称之为放射性核数)而言的,只有放射性元素才具有半衰期。比如碳元素的同位素碳14,它的放射性半衰期大约为5730年,这意味着,1千克的碳14原子经过5700年之后,就只剩下0.5千克的碳14原子了,另外0.5千克会衰变成稳定的氮14原子。

同种元素的不同核素的寿命也是天差地别,比如钋元素的同位素钋210和钋215,一个半衰期长达三个月,另一个仅为0.00018秒。在氢的三种同位素中,氚就具有放射性,它的半衰期为12.33年。

原子的创生与毁灭

一种原子可以通过核反应变成另一种原子,核反应的方式包括核聚变、核裂变、原子核的衰变、粒子轰击。

宇宙中最早的一批原子源于宇宙大爆炸,那时的宇宙中的主要元素是氢,氢在万有引力的作用下会形成恒星。宇宙中的第一批恒星在衰老死亡之后,会将大量新元素(比如碳、氧等元素)抛出。

宇宙中的星系主要由恒星构成,每一颗恒星就是一个核聚变反应堆,无时无刻不在制造着新原子,除了氢元素以外,包括铁等轻元素几乎都是在恒星的大熔炉中产生的。当一颗恒星走到了生命的尽头,就有可能会在引力的作用下发生超新星爆发,铁之后的重元素就是在这短短的几秒钟时间内形成的。

地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

如果没有恒星,也就没有足够的原材料形成地球,更不会诞生生命。宇宙中最早的一批原子便是氢原子,其它的原子都是在此基础上由氢原子聚变而成的。

宇宙射线中89%都是自由质子,10%是阿尔法粒子(即氦4原子核),质子和电子会自发地结合成氢原子,此外宇宙射线还有可能会和其它原子发生核反应。

地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

对于稳定的原子,我们无法测定它的年龄;只有放射性核素的原子才能测定年龄

世界上没有两片完全相同的叶子,可从微观世界看来却不是这样子的。

地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

决定原子种类的是核子数,不同的质子数对应着不同的元素,不同的中子数对应着不同的核素。对于同一种稳定的原子,我们无法对它们进行标记,也就是说它们具有全同性。

比如两个氢原子,我们无法判断,究竟哪一个是新产生的,哪一个是后产生的,它们究竟经历了多少年。

对于放射性核素,我们可以通过测量它的衰变情况,来判断它的大致年龄。正是基于这个原理,科学家们可以利用放射性同位素对远古生物进行年代测定,还可以用来鉴定古董。

地球诞生至今46亿年,我们身体内的原子是否也有几十亿年的历史?

如图所示,不同放射性元素的测年范围

结语

人体60%都是水,水是由氢原子和氧原子构成的,而水中的氢原子很有可能就是最近几百万年内刚刚诞生的。还有一些其它元素,很有可能也是最近刚刚诞生的。此外,人体中还含有微量的放射性同位素,其实不仅人体内有,自然界中到处都分布着放射性同位素,只不过辐射剂量非常小,根本察觉不到,对人体本身也没有危害。这些人体内的放射性元素也会发生衰变,寿命肯定没有几十亿年。

由此可见,不是所有原子都和地球一样拥有几十亿年的历史,原子同样存在创生与消灭,原子也有寿命,片面的认为我们身体中的原子都有几十亿年的历史是不正确的。

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