它引起自然灾害时带给我们恐惧，产生电流时带给我们欢乐。不管它在做什么，都能立即引起我们的注意，它的神出鬼没甚至让一首摇滚歌曲以它为名。它就是放射性。放射性有三个有趣的地方。首先，它会产生一种辐射，我们看不到（至少用肉眼看不到），却会受到辐射的伤害。其次，我们使用它（发电）会产生一种废物，需要我们存放很长时间。最后，第三件事是，它告诉我们元素无法永久存在，至少不是所有元素都可以：它们会衰变。这意味着满满一饭盒的铀在很久以后就不够一盒了。
原子衰变这件事或许会让你心生疑惑。你也许会问：“为什么会有这种事？”物理学家会回答你：“为什么不会呢？能发生的终会发生。”让我们通过一个例子来仔细看看这件事意味着什么吧。某种元素的原子是由其原子核中质子的数量定义的。在放射性衰变的过程中，原子核通过发出辐射而改变。除了放射出α（阿尔法）、β（贝塔）、γ（伽马）这三种典型的辐射之外，原子核还有可能发生核裂变。我们先从核裂变讲起吧，你可以把它形容成“巨大的原子核分解成两个小的原子核”，这个很好想象。在一个原子核内，两股不同的力相互较量：强力使得质子和中子结合，电磁力则会让质子之间互斥。因为强力占了上风，所以质子和中子才可以结合在一起。但是原子核不同，强力占上风的程度也各不相同。有时候强力会占压倒性的优势，那么原子核就十分稳定，很难分裂了，但也有可能强力只比电磁力大一点，这样的情况下原子核就相当不稳定了。
稳定性或不稳定性的原因是什么
原子核的稳定性取决于若干因素：它的体积、外观、质子数量、质子和中子的数量差，还有质子与中子对的数量。利用这些信息，你可以使用所谓的贝特-魏茨泽克质量公式计算出原子核的稳定性。你应该能从它的名字中猜出来：该公式得出来的其实是原子核的质量，而不是稳定性。但这二者之间有着紧密的联系。以氦核为例，我们把它的一个原子核放在天平上，拿它的重量和它的所有成分的重量比较。
哇，天平无法保持平衡了！原子核较轻。这种现象叫作“质量亏损”。这还是E=mc2里说的事儿：部分质子和中子转化成了能量。把质子和中子结合为原子核的正是这种能量。另外，你要想让原子核分裂也正好需要这么多能量。所以：质量亏损越严重，这种结合能越高，原子也越稳定。
原子核的质量差导致了放射性衰变：如果“子核”的总质量比“母核”的低，那么一个原子核就能分裂成两个较小的原子核。于是，这种质量差就会以动能的方式被释放出来，因此“子核”就能以相应的速度运动。如果你设法将这种能量转化为热能，你可以用它来加热水和驱动蒸汽轮机，然后就能让发电机运转起来，产生电力。简单来说，核电站就是这么工作的。
核裂变可以自行发生。你可能要问了：“好吧，如果一个原子核可以分裂成两个较轻的原子核，那这种事为什么不会即刻发生？”这就要说到量子力学的法则了。没有量子力学，强力会让原子核保持稳定。但是在量子力学中，海森堡的不确定性关系是有效的：原子核的确切位置还有它的组成部分没有明确界定，一个原子核内有它的两个“半核”（以及其所有其他可能存在的部分）——更准确地说，是它们的波函数。大部分都包括在内——因为波函数的一小部分还在外面较远的地方。这可能导致某个时刻两个“半核”之间远离到能摆脱强力束缚的程度，就这样，核裂变发生了。这个效应也被称为隧穿效应。
核电站的发动机
这类核裂变可以自行发生，也可以被其他事物引起。最被大家熟知的例子便是铀-235（这个数字代表着原子核中质子与中子的总和），如果铀被一个中子碰撞，中子便会被吸收，铀就变得相当不稳定，继而衰变为两个较轻的原子核，比如钡、氪（你别把它和漫画中超人的克星“氪石”弄混了），还有两个中子。这些中子可以撞击其他铀-235的原子核，核裂变的过程又会重新开始，只不过这次的强度是上次的两倍。我们管这个叫作“核链式反应”，它也是让核电站运转起来的过程。
在本节中，我们目前只讲了核裂变。但是，让人们聊起放射性，大家指的多是α、β和γ辐射。它们基于同样的原理，核裂变就是个很好的例子，那就是变成较轻的东西，同时把剩余的能量以衰变产物的动能的方式释放出来。我们已经了解，原子核衰变需要的时间是不同的。问题是（此处回到了量子力学的框架中），你不知道一个特定的原子核什么时候会衰变。你只能给出概率。你能做的就是创造出一个“半衰期”的概念，即通常情况下某种原子核半数衰变需要的时间。
如何处理核废物？
不同的放射性原子核，半衰期从10-10秒以下到1千万年以上不等。但比起半衰期，物理学家更想要计算出另一个时间量——“寿命”（lifetime）。它的含义是，还剩下1/2.72（而不是半衰期对应的1/2）的一小部分仍然没有衰变所需要的时间。这个时间的好处是，你可以用其倒数来衡量一种材料的活性（即一种放射性原子核的寿命越长，其倒数越小，这种材料的活性越低，反之则越高）。如果你把原子核寿命的倒数与你所拥有的原子核的数量相乘，你就知道平均每秒钟有多少原子核衰变。非常不稳定的粒子寿命短，因此会产生大量的放射。但粒子的寿命长也没有多好：活性较低，但辐射的持续时间较长。不幸的是，核电站产生的放射性核寿命相当长。我们必须将核废料储存在一个安全的地方，使其辐射无法危害人类。一种方法是将核废物储存在地下深处的盐丘[1]中。
还有一个方法是利用所谓的核嬗变。在这种技术的帮助下，寿命相当长的有毒核废料可以转变为毒性稍弱或寿命较短的废料，提前消失。
科学家在嬗变领域的研究活动非常活跃。虽然在技术上也可以利用嬗变法以人工生产的方式将汞变为黄金（可惜经济效益不高），但大家的主要精力还是放在了用它处理放射性废料上，毕竟它可以将此类废料的储存时间缩短几千年。这个消息听起来是不是很令人振奋？
[1]一种自然形成的地质构造，因为各方面的优点，被认为是较理想的核废料存放点。
