从X射线到量子隧穿：贝克勒尔和α粒子悖论

1896年，当时法国物理学家亨利·贝克勒尔听说了最近发现的X射线，他决定寻找发射出类似于X射线的东西。贝克勒尔认为，荧光现象可能以某种方式与 X 射线有关，因此他设计了一个实验来证明——贝克勒尔计划将铀盐晶体样本暴露在光下。他在太阳光下将这些晶体与一个金属物体放在未曝光的照相底片上，他认为如果冲洗后的底片显示出该物体的图像，那么这表明荧光盐晶体实际上正在发射X射线。

但在1896年2月26日至27日，巴黎天空乌云密布，持续地下着雨，因此贝克勒尔被迫推迟了他的实验。他用黑布包裹着铀盐晶体连同照相底片和铜制马耳他十字，等待几天后阳光明媚的日子。几天后，当贝克勒尔取出他的东西时，他惊讶地发现底片上出现了马耳他十字的清晰图像，但它们却从未暴露在阳光下。唯一可能的结论是，晶体本身正在发射辐射。

之后贝克勒尔多次重复该实验，他写道：我现在确信，铀盐即使被保存在黑暗中也会产生不可见的辐射，无论发出什么，都是类似于X射线的穿透形式的辐射，并且在原子没有受到外部激发的情况下自行发出的。

贝克勒尔还对铀盐进行多种处理，如加热晶体再将其冷却，将其磨成粉末，将其溶解在酸中，以及他能想到的其他一切，但神秘辐射的强度始终保持不变。很明显， 物质的这种新特性与化学方式无关，它是隐藏在原子本身深处的一种特性。

1898年，居里夫妇开始对这种新发现的现象产生兴趣。 居里夫妇开始研究这些铀射线的奇怪性质，并创造了“放射性”一词来描述这种新现象。居里夫妇测量不同放射性同位素发出的辐射强度，并很快就发现了铀射线中的其他放射性元素：钋、钍和镭。

然后在1899年，28岁的欧内斯特·卢瑟福发现实际上存在三种不同的辐射：α、β和伽马辐射。α粒子，可以被一张薄纸阻挡，并且在空气中的射程非常短，卢瑟福后来发现α粒子由两个质子和两个中子结合在一组成。β粒子比α粒子更具穿透力，并且可以在空气中传播得更远，它们能够穿过纸张，但后来发现被几毫米的铝阻挡。这些β粒子只是快速移动的电子，从原子核内部喷射出来。最后是伽马射线，现在它们被发现是高频电磁辐射。

因为α粒子由两个质子和两个中子组成，并且由于α粒子从原子核中喷射出来，因此当放射性原子核发射α粒子时，它实际上会变成不同的元素。换句话说，放射性α衰变是核炼金术的一种形式，具有将一种元素变成另一种元素的能力。

那么β衰变呢？在β衰变期间，原子核内部有一个中子变成一个质子和一个快速移动的电子，电子被从原子核中喷射出来。在这种情况下，质量数保持不变，但现在原子核内多了一个质子，所以这次我们也得到了一种新元素。注意，实际上还有另一种粒子参与了这个过程，那就是反电子中微子，它是一种中性粒子，负责带走放射性衰变的一些能量。

最后是伽马辐射，因为伽马辐射只是高频电磁辐射，并且由于电磁辐射既无质量又无电荷，伽马衰变的衰变方程并不是特别有趣或有启发性。为了接下来的量子隧穿，这三种核辐射我们只关注α辐射，为长期存在的α粒子悖论提供解决方案。