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大误 · 香蕉每 75 秒就会产生一个反物质吗?

Couleur / CC0

香蕉每 75 秒就会产生一个反物质吗?

鱼刺,I was so naive!

香蕉产生反物质,是的。antineutrino 中微子的反粒子。

本质过程是贝塔「beta」衰变:

一个中子衰变成一个质子,加一个电子「beta 粒子」和一个反中微子。

这是因为香蕉里面含有一种天然放射性元素钾 40,「」。钾 40 能够衰变成钙 40,「」。 两种元素的总核子「质子和中子的总数」是一样的,但钾 40 的原子序数「质子数」为 19,比钙 40 少了一个。因此前者的一个中子转化成了后者的一个质子。这个过程释放出了反物质。

正电子

「补充」经评论区 @冯悦 提醒,题主可能指的是产生正电子。钾 40 确有 10%的小概率衰变成氩 40「」,后者比前者多了一个中子少了一个质子。这是一个电子捕获过程,一个质子捕获一个电子产生中子和电子中微子:。这里实际上还没有反粒子产生。但是这个过程有个次级过程,若钾 40 原子核捕获自身的外层电子,则次级原子氩 40 可以发生跃迁,释放一个能量为 1.46MeV 的伽马光子。当伽马光子的能量大于 1.02MeV「电子和正电子静质量的和」时,可产生正负电子对「当然这个过程原子核是参与的,否则无法同时满足能量和动量守恒」。这样就产生了另一个反物质正电子。

@程子酱 提醒,钾 40 也可以直接通过贝塔正衰变氩 40 放出正电子:。但是这个过程发生的概率很低,占所有衰变过程的 0.001%[1]

这样钾 40 的衰变可以产生两种反物质。

其实应该叫反粒子比较好。一般我们说物质的时候说的是反粒子组成的宏观物质。一般不认为宇宙中存在自然形成的反物质,这个是物理前沿问题「正反物质不对称」「来源 @子乾 ,private communication」

再看反粒子产生速率。

应该比每 75 秒产生一个反粒子快多了。

钾 40 半衰期长达 12 亿 5 千万年,超过四分之一地球年龄。每克天然钾的放射性活度「钾 40 的贡献」为 31 贝克勒「一种单位,每秒发生衰变的原子数」。而一个香蕉平均含有 0.5 克钾,即 15.5 贝克勒的钾 40。因此平均每秒有 15.5 个钾 40 原子衰变[2]

「题主可能说的是小概率的正电子产生过程。更慢。」

另外,香蕉中还含有另一种天然放射性核素碳 14。也会产生贝塔衰变。一根香蕉含有 15 克碳,其中万亿分之一为碳 14,每秒贡献 3-5 个反粒子。

其实,吃不吃香蕉,人也一样产生反粒子。人体内同样含有钾 40 和碳 14。成年人体内平均含有 0.0164 克钾 40。而人体内 18%为碳,每克碳内含有大约 500 亿个碳 14 原子,其中每分钟大约有 10 个碳 14 原子衰变。

辐射

既然像钾 40 和碳 14 之类的天然核素具有放射性,那自然是有辐射的了。稍微多扯一下。

辐射剂量表 

图片来自网络,侵删。

第二个图是第一个图里的蓝色部分。相比绿色和红色,蓝色部分的辐射剂量非常小。比如:

  • 家住在核电站 50 英里左右,一年的辐射剂量不如吃一根香蕉;
  • 老式的显像管电视,大头电脑,用一年相当于吃十根香蕉;
  • 啥也不做,每天感受的宇宙背景辐射剂量都比拍牙医 X 射线高。
  • 当然最重要的是,手机没电离辐射。0。

实际上,地球上普通人受到的累计背景辐射平均值为每年约 3 毫西弗「mSv」。美国核从业者每年的辐射剂量上限是 50mSv, 相当于 50 万根香蕉。

扯得有点远。


本来算是个抖机灵的回答,没想到竟然有人关注,我谢谢大家。也谢谢香蕉。

针对评论区的脑洞做一点必要的补充吧:

  • 香蕉是计量单位。不是调侃,是有这个概念,叫做香蕉等效剂量「Banana Equivalent Dose,BED」,是一种非正式的电离辐射暴露剂量单位。这个单位是美国利弗莫尔国家实验室的科研人员发明的,就是为了更好的跟大众解释,核辐射没有人们想的那么可怕。
  • 卖香蕉的有风险吗?不知道卖香蕉的一年能不能卖 50 万根「1370 根每天,好像有可能」。只要不时时刻刻蹲在香蕉筐里,我猜应该没事。不知道有没有人统计过卖香蕉的患癌率是不是更高?我猜应该不会。不过有意思的是,一卡车香蕉足以触发美国边境口岸的辐射报警器[3]
  • 人体吸收钾 40 有危害吗?从食物中摄入的钾 40 不会在身体内蓄积。过量的钾会通过新陈代谢被肾脏排出。
  • 产生的反物质去哪儿了?对人有没有危害?反物质很难在自然界保存。实验室里倒是可以,例如正负电子对撞机里的正电子束是被磁场储存环保存的。人体内,正如大家提到的,湮灭了,正反不能见面,一见面就见光死了。湮灭了发出光子就完事了。当然抛开剂量谈危害就是耍流氓。
  • 还有其他食物有放射性吗?有。包含钾 40 的有土豆、腰果、瓜子、栗子等。巴西坚果含有放射性的镭,每公斤的放射性活度为 444 贝克勒「放心吃」。当然不用说植物都有碳 14,因此有种说法叫真酒有辐射,假酒没辐射「酒精勾兑」。另外,烟草里面含有放射性的钍、钋、铀!
  • 网上很多地方可以买到防电脑辐射的食物,那是在交智商税。

最后还想再声明下,不知道评论区的朋友们是不是开玩笑的。每天吃一根香蕉只相当于宇宙本底辐射的百分之一。所以肯定是不用担心的。卖香蕉和坚果的可不要找我。

参考
  1. ^Engelkemeir, D. W.; Flynn, K. F.; Glendenin, L. E. (1962). "Positron Emission in the Decay of K40". Physical Review. 126 (5): 1818. https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.126.1818
  2. ^Bananas & Potassium https://web.archive.org/web/20110814155548/http://www.chiquitabananas.com/Worlds-Favorite-Fruit/bananas-and-potassium.aspx
  3. ^ Issue Brief: Radiological and Nuclear Detection Devices. Nti.org. Retrieved on 2010-10-19. https://www.nti.org/analysis/articles/radiological-nuclear-detection-devices/