原子物理學(xué) 第7章(2)原子核物理概論

1、教材教材: :原子物理學(xué)原子物理學(xué), ,楊福家楊福家, ,高教社高教社,2008,2008第四版第四版Manufacture: Zhu Qiao ZhongZhu Qiao Zhong原子核物理概論原子核物理概論第七章第七章(2)(2)Nuclear physics introduction2第七章原子核物理概論第七章第七章(2) 原子核物理概論原子核物理概論7-5 放射性衰變基本規(guī)律放射性衰變基本規(guī)律7-6 衰變衰變7-7 衰變衰變7-8 衰變衰變目錄目錄3第七章原子核物理概論在迄今為止發(fā)現(xiàn)的在迄今為止發(fā)現(xiàn)的3000多種核素中多種核素中,絕大多數(shù)都不穩(wěn)定絕大多數(shù)都不穩(wěn)定,會自發(fā)會自發(fā)地蛻變?yōu)?/p>

2、另一種核素同時放出各種射線地蛻變?yōu)榱硪环N核素同時放出各種射線.這種現(xiàn)象稱為放射性衰變這種現(xiàn)象稱為放射性衰變.放射性衰變過程中放射性衰變過程中, 原來的核素原來的核素 (母體母體) 變?yōu)樽優(yōu)榱硪环N核素另一種核素(子體子體), 或者或者進入另一種能量狀態(tài)進入另一種能量狀態(tài).7-5 放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變的基本規(guī)律4第七章原子核物理概論衰變的位移定則衰變的位移定則: : 子核在元素周期表中的位置左移子核在元素周期表中的位置左移2 2格格. .射線能使氣體電離射線能使氣體電離, ,但穿透本領(lǐng)很小但穿透本領(lǐng)很小. . )(422228622688 HeRnRa 例例：衰變衰變衰變的位移定則衰變的

3、位移定則: : 子核在元素周期表中的位置右移子核在元素周期表中的位置右移1 1格格. . 射線電離本領(lǐng)較弱射線電離本領(lǐng)較弱, ,但有較強的穿透本領(lǐng)但有較強的穿透本領(lǐng). .ePoBi012108421083 例例：衰變衰變高能短波電磁輻射（即電子波）高能短波電磁輻射（即電子波）射線幾乎沒有電離本領(lǐng)射線幾乎沒有電離本領(lǐng), ,但穿透本領(lǐng)很強但穿透本領(lǐng)很強. . CoCo6027*6027例例：衰變衰變5第七章原子核物理概論二、放射性衰變的基本規(guī)律二、放射性衰變的基本規(guī)律原子核是一個量子體系原子核是一個量子體系,核衰變是原子核自發(fā)產(chǎn)生的變化核衰變是原子核自發(fā)產(chǎn)生的變化,是是一個量子躍遷的過程一個量子躍

4、遷的過程.核衰變服從量子力學(xué)的統(tǒng)計規(guī)律核衰變服從量子力學(xué)的統(tǒng)計規(guī)律.單一的單一的一個放射性核素的衰變的精確時刻是不可預(yù)知的一個放射性核素的衰變的精確時刻是不可預(yù)知的,但足夠多的同但足夠多的同種放射性核素的集合體的衰變是有規(guī)律的種放射性核素的集合體的衰變是有規(guī)律的.設(shè)放射性核素數(shù)目為設(shè)放射性核素數(shù)目為N0(t0時時),在在dt內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目-dN (dN 代表代表N的減少量的減少量,為負值為負值,故在它前面加一負號故在它前面加一負號)為為:它必定正比于當時所存在的核數(shù)目它必定正比于當時所存在的核數(shù)目N.積分后即得積分后即得:teNN 01.衰變定律衰變定律(統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律

5、):NdtdN teNN 06第七章原子核物理概論2.2.放射性核素的特征量放射性核素的特征量 NdtdN / (分子表示單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目分子表示單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目) 093. 02ln T 2ln212/000 TeNNNNTtTN/No）（衰變衰變min1013 TN7第七章原子核物理概論T44. 11 表示每個核衰變前表示每個核衰變前存在時間的平均值存在時間的平均值.導(dǎo)出要點導(dǎo)出要點:在在 內(nèi)內(nèi),發(fā)生衰變的核數(shù)為發(fā)生衰變的核數(shù)為 ,這些這些核的壽命為核的壽命為t ,則所有核素的總壽命為則所有核素的總壽命為 NdtdN dttt 0Ntdt 于是任一核素于是任一核素的平均

6、壽命為的平均壽命為:TTNNtdt44. 12ln100 可見可見.將上式代入衰變規(guī)律還可得到將上式代入衰變規(guī)律還可得到: 010%37NeNN 表示表示:8第七章原子核物理概論放射性活度放射性活度A(A(也稱也稱“放射性強度放射性強度”,“,“放射率放射率”,“,“衰衰變率變率”):):放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù). . 3.3.放射性活度放射性活度A AteAA 0A描述放射源每秒發(fā)生核衰變的次數(shù)描述放射源每秒發(fā)生核衰變的次數(shù),并不表示放射出的粒子數(shù)并不表示放射出的粒子數(shù).導(dǎo)出要點導(dǎo)出要點:tteAeNNdtdNA 00A的單位的單位(1

7、975年規(guī)定年規(guī)定):貝克勒貝克勒(或貝可或貝可)(Bq). 1Bq1次核衰變次核衰變/秒秒.A的輔助單位的輔助單位:居里居里(Gi);毫居毫居(mGi)、微居、微居(Gi)/s107 . 3(107 . 311010次衰變次衰變即即 BqGi“倫琴倫琴”、“拉德拉德”、“戈瑞戈瑞”:1倫琴倫琴(R):使使1kg空氣中產(chǎn)生空氣中產(chǎn)生2.510-4C的電量的輻射量的電量的輻射量;1拉德拉德(rad):1kg受照射物質(zhì)吸收受照射物質(zhì)吸收100爾格的輻射能量爾格的輻射能量;1戈瑞戈瑞(Gr):1kg受照射物質(zhì)吸收受照射物質(zhì)吸收1J的輻射能量的輻射能量.9第七章原子核物理概論測出放射性活度測出放射性活

8、度A,A,算出產(chǎn)生算出產(chǎn)生A A的核素數(shù)目的核素數(shù)目N,N,據(jù)據(jù)A=A=N N求出求出, ,則可求出則可求出: :為保證足夠的計數(shù)以降低統(tǒng)計誤差為保證足夠的計數(shù)以降低統(tǒng)計誤差,必須增大必須增大N.4.4.長半衰期的測定長半衰期的測定測定半衰期是確定放射性核素的重要方法測定半衰期是確定放射性核素的重要方法.10第七章原子核物理概論蓋革計數(shù)器蓋革計數(shù)器:根據(jù)受輻射氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生的離子和電子能根據(jù)受輻射氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生的離子和電子能傳導(dǎo)電流的原理設(shè)計的傳導(dǎo)電流的原理設(shè)計的.每個被放大了的電脈沖每個被放大了的電脈沖即代表一次放射性記數(shù)即代表一次放射性記數(shù) 11第七章原子核物理概論放射性放射性14

9、C鑒年法鑒年法(簡介簡介)利比利比W.F.Libby,14C鑒年法先鑒年法先驅(qū)驅(qū),獲獲1960年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎方法：放射性方法：放射性1414C C測定年代法測定年代法依據(jù)：半衰期與反應(yīng)物的起始濃度無關(guān)依據(jù)：半衰期與反應(yīng)物的起始濃度無關(guān) 假定：大氣中假定：大氣中1414C C 、1212C C的比值恒定的比值恒定 宇宙射線中的大量質(zhì)子與大氣中原子核反應(yīng)宇宙射線中的大量質(zhì)子與大氣中原子核反應(yīng)產(chǎn)生許多次級中子產(chǎn)生許多次級中子, ,這些次級中子與大氣中的這些次級中子與大氣中的1414N N反應(yīng)而產(chǎn)生反應(yīng)而產(chǎn)生1414C,C,而而1414C C自發(fā)地進行自發(fā)地進行衰變：衰變：pCNn141

10、4eNC1414由于宇宙射線的質(zhì)子流、大氣組分相對恒定由于宇宙射線的質(zhì)子流、大氣組分相對恒定, ,故上述次級中子故上述次級中子流也相對恒定流也相對恒定, ,使得使得1414C C 的產(chǎn)生率保持恒定的產(chǎn)生率保持恒定, ,經(jīng)相當時間后產(chǎn)出與經(jīng)相當時間后產(chǎn)出與衰變達平衡衰變達平衡, ,其數(shù)目保持不變其數(shù)目保持不變. .而大氣中的而大氣中的1212C C是穩(wěn)定核素是穩(wěn)定核素. .研究表明：研究表明：1214103 . 15730:1214CC/NNaTC大大氣氣中中的的半半衰衰期期12第七章原子核物理概論埃及一法老古墓發(fā)掘出來的木質(zhì)遺物樣品中埃及一法老古墓發(fā)掘出來的木質(zhì)遺物樣品中,放射性碳放射性碳-1

11、4的比活度為的比活度為432Bqg-1 即即s-1(gC)-1,而地球上活體植物組織而地球上活體植物組織相應(yīng)的比活度則為相應(yīng)的比活度則為756Bqg-1,試計算該古墓建造的年代試計算該古墓建造的年代.例例1解解:衰變反應(yīng)是衰變反應(yīng)是: 根據(jù)一級反應(yīng)的速率方程和半衰期公式根據(jù)一級反應(yīng)的速率方程和半衰期公式: lnct( )= -kt lnc0( ) T1/2 = 0.693/k得：得：k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.2110-4 a-1 t=n756Bqg-1/432Bqg-1/(1.2110-4a-1) =4630 a 如以上數(shù)據(jù)系如以上數(shù)據(jù)系2005年所得

12、年所得,則則4630-20052625即該古墓大約是公元前即該古墓大約是公元前2625年建造的年建造的. C146C146eNC01147146 13第七章原子核物理概論解解:例例2測得古墓測得古墓100g骸骨碳的衰變率為骸骨碳的衰變率為900/min,求此墓年代求此墓年代. 據(jù)衰變定律和半衰期公式據(jù)衰變定律和半衰期公式 2ln2/10TeNNt當前當前100g骸骨中的數(shù)目為骸骨中的數(shù)目為N,00ln2lnln1NNTNNt 結(jié)論：古墓年代約結(jié)論：古墓年代約為公元前為公元前2200年年C141281091. 3/1073. 4693. 057302ln1 aadtdNTdtdNN 122312

13、0105 . 61210022. 6100103 . 11001214 CACCNNNN 墓主死亡時墓主死亡時100g骸骨碳中含原子的數(shù)目為：骸骨碳中含原子的數(shù)目為：C14aaNNTt4200105 . 61091. 3ln693. 05730ln2ln12120 aadtdN/1073. 4/3652460900min/9008 14第七章原子核物理概論 在自然界存在的放射性核在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變素大多具有多代母子體衰變關(guān)系關(guān)系. . 母體放射性核素經(jīng)多母體放射性核素經(jīng)多代子體放射性核素最后衰變代子體放射性核素最后衰變生成穩(wěn)定核素生成穩(wěn)定核素. . 镎镎 系系釷釷

14、系系錒錒 系系鈾鈾 系系15第七章原子核物理概論以兩代衰變以兩代衰變(ABC) 為例為例)A的衰變服從衰變律的衰變服從衰變律: B一方面衰變?yōu)橐环矫嫠プ優(yōu)镃,一方面又不斷從一方面又不斷從A處獲得補充處獲得補充,所以所以B的衰變的衰變規(guī)律與規(guī)律與 A, B 有關(guān)有關(guān):這時子核將按母核的衰變規(guī)律衰變這時子核將按母核的衰變規(guī)律衰變.這一個重要結(jié)論啟示人們這一個重要結(jié)論啟示人們保存短壽命核素的一個方法保存短壽命核素的一個方法.5.5.簡單的級聯(lián)衰變簡單的級聯(lián)衰變tAAAeNN 0)(0ttABAABBAeeNN 若若,當時當時AB Bt tBAABAeNN 016第七章原子核物理概論Th23290Pb

15、20882nA4 U23892Pb2068224 nAU23592Pb2078234 nAPu24194Bi2098314 nA自然界存在四個天然衰變鏈自然界存在四個天然衰變鏈镎系中镎系中, ,镎的半衰期最長镎的半衰期最長, ,為為2.14l06 年年, ,比地球年齡短得多比地球年齡短得多, ,因此天然不存在镎系因此天然不存在镎系. .17第七章原子核物理概論80 85 90 ZN145140135130125 釷系釷系(4n)Th23290Ra22888Th22890Ra22488Rn22086Po21684Pb21282Po21284Pb20882Tl20881釷系、鈾系級聯(lián)衰變釷系、鈾系

16、級聯(lián)衰變80 85 90 ZN145140135130125U23892U23492Th23490Pa23491Tb23090Ra22688Rn22286Po21884Pb21482At21885Bi21484Tl21481Po21484Pb21082Bi21083Tl21081Po21084Pb2068218第七章原子核物理概論80 85 90 ZN145140135130125U23592Pa23191Th23190Th22789Fr22387Th22790Ra22388Rn21986Pb21182Ro21584At21585Tl20781Bi21183Po21184Pb20782錒系、镎

17、系級聯(lián)衰變錒系、镎系級聯(lián)衰變80 85 90 ZN145140135130125Np23793Pa23391Ac23589Fr22187At21785U23592Ra22588Th22989Br21383Tl20981Po21384Pb20982Bi2098319第七章原子核物理概論6.6.同位素生產(chǎn)同位素生產(chǎn)人工放射性核素一般是靠核反應(yīng)方法產(chǎn)生的人工放射性核素一般是靠核反應(yīng)方法產(chǎn)生的.在其產(chǎn)生的同時在其產(chǎn)生的同時即在發(fā)生衰變即在發(fā)生衰變.怎樣達到一個最佳的產(chǎn)出率呢？怎樣達到一個最佳的產(chǎn)出率呢？設(shè)某時刻未衰變核素為設(shè)某時刻未衰變核素為N,核素的產(chǎn)出率為核素的產(chǎn)出率為P,則：則： NPdtdN

18、則此齊次方程的通解為：則此齊次方程的通解為：tCeN 考慮初始條件考慮初始條件,有有tttttttePNCeNPCNN 000此齊次方程的解為：此齊次方程的解為：)1(tePN 20第七章原子核物理概論表示為放射性活度：表示為放射性活度：)21()1(TttPePNA 0 1 2 3 40.51.0A/Pt/T顯然顯然,經(jīng)過經(jīng)過1T時時A可達到可達到P的的50%,經(jīng)過經(jīng)過2T時時A可達到可達到P的的75%從左圖知從左圖知,無論工作時間多長無論工作時間多長,最最大的大的A不超過不超過P.21第七章原子核物理概論 YXAZAZ427-6 7-6 衰變衰變1. 衰變的條件：衰變的條件： MMMYX推

19、導(dǎo)要點推導(dǎo)要點:設(shè)母核設(shè)母核X、子核、子核Y和和 粒子的靜質(zhì)量分別為粒子的靜質(zhì)量分別為mX、mY、m ; 粒子的動能為粒子的動能為E ,子核的反沖動能為子核的反沖動能為Er.rYXEEcmcmcm 222一般認為衰變前母核一般認為衰變前母核靜止靜止,據(jù)能量守恒律有：據(jù)能量守恒律有：rdefEEE0eXeYYeXXmMmmZMmZmMm2)2( 由于核素表給出的是原子質(zhì)量由于核素表給出的是原子質(zhì)量而非核質(zhì)量而非核質(zhì)量,所以可表示為：所以可表示為：這里忽略了電子與核之間的結(jié)合能這里忽略了電子與核之間的結(jié)合能.20)(cMMMEYX 發(fā)生發(fā)生 衰變的條件為衰變的條件為Q 0,即：即：)(HeYXMM

20、M或或22第七章原子核物理概論2. 衰變能衰變能:EAAE40子核反沖的動量等于子核反沖的動量等于 粒子的動量粒子的動量,即即:YYYYmvmvvmvm YYYEmmvmEE）（ 12120 EAA4是原子核衰變時所釋放出的能量是原子核衰變時所釋放出的能量,是研究衰變過程的重是研究衰變過程的重要物理量要物理量.這部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)樗プ兩傻乃辛Ｗ拥膭幽苓@部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)樗プ兩傻乃辛Ｗ拥膭幽?23第七章原子核物理概論盧瑟福與蓋革在實驗室觀測盧瑟福與蓋革在實驗室觀測粒子粒子24第七章原子核物理概論3. 衰變的重要特點：衰變的重要特點： 射線的能譜是分立譜射線的能譜是分立譜.212Bi 的的能譜

21、能譜MeVE / 相對相對強度強度5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 核內(nèi)部能量也以能級形式分布核內(nèi)部能量也以能級形式分布, 衰變時母核從自身某一能級衰變時母核從自身某一能級躍遷到子核某一能級躍遷到子核某一能級,放出一部分能量并分給子核和放出一部分能量并分給子核和 粒子作為粒子作為它們的動能它們的動能. 母核到子核的轉(zhuǎn)變放出母核到子核的轉(zhuǎn)變放出的就是衰變能的就是衰變能Ed, 必等于母必等于母核與子核的相應(yīng)能級間的核與子核的相應(yīng)能級間的能量差能量差,應(yīng)有確定值應(yīng)有確定值.所以所以 粒子的動能粒子的動能E 只能取分立只能取分立值值.25第七章原子核物理概論4. 衰變的機制與壽命衰變的機制與壽命

22、核力是短程力核力是短程力, 而庫侖斥力為長程力而庫侖斥力為長程力.在多質(zhì)子的核內(nèi)在多質(zhì)子的核內(nèi),核力幾核力幾乎不能乎不能“補償補償”質(zhì)子間的相互排斥質(zhì)子間的相互排斥,于是要發(fā)生衰變于是要發(fā)生衰變,以減少質(zhì)子以減少質(zhì)子數(shù)來增加穩(wěn)定性數(shù)來增加穩(wěn)定性.事實上事實上,Z83的核素都不穩(wěn)定的核素都不穩(wěn)定.衰變產(chǎn)生的粒子來自核內(nèi)衰變產(chǎn)生的粒子來自核內(nèi), ,核內(nèi)的核內(nèi)的粒子受核粒子受核力吸引力吸引(負勢負勢能能),在核外在核外,粒子受到庫侖力的排斥粒子受到庫侖力的排斥. 這樣這樣,在核的表面形成一個在核的表面形成一個勢壘勢壘.由于微觀粒子的波動性由于微觀粒子的波動性,能量小的能量小的粒子也有一定的幾率穿過勢

23、壘而從粒子也有一定的幾率穿過勢壘而從核內(nèi)逸出核內(nèi)逸出(隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)). 1928年伽莫夫等人指出年伽莫夫等人指出, 粒子就粒子就是因量子隧道效應(yīng)穿過勢壘跑到核是因量子隧道效應(yīng)穿過勢壘跑到核外的外的.并證明并證明: R b r)(rVRE E 0庫侖勢庫侖勢粒子的勢壘粒子的勢壘核勢核勢26第七章原子核物理概論 衰變示意圖衰變示意圖+ + + + + + + + + +從母核中射從母核中射出的出的4 4HeHe核核 粒子得到粒子得到大部分衰變能大部分衰變能238238U U4 4He + He + 234234ThTh放射性母核放射性母核!27第七章原子核物理概論衰變碰到的兩個難題衰變碰到的兩

24、個難題1) 能量守恒律及核能級量子化能量守恒律及核能級量子化表明核的能譜應(yīng)當是離散的表明核的能譜應(yīng)當是離散的,而而-射射線的能譜是連續(xù)的線的能譜是連續(xù)的.為什么為什么?7-7衰變衰變00.20.40.60.81.0強度強度IMeVE / 161284能譜能譜核的核的 Bi21083原子核的衰變能原子核的衰變能E0是一定的是一定的. E0在核在核 與與粒子之間分配粒子之間分配,若若粒子分得的能量是連續(xù)的粒子分得的能量是連續(xù)的,則意味著核能則意味著核能級也是連續(xù)的級也是連續(xù)的.那么那么,在沒有核能級處在沒有核能級處,系統(tǒng)的能量不守恒系統(tǒng)的能量不守恒2) 不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子不確定關(guān)系不允許核

25、內(nèi)有電子,那么那么衰變放出的電子從衰變放出的電子從何而來？何而來？在在衰變中衰變中A A不變不變, ,由由A A決定的核自旋角動量不變決定的核自旋角動量不變, ,但電子具有但電子具有1/21/2的自旋的自旋, ,放出電子后放出電子后, ,系統(tǒng)的角動量將不守恒系統(tǒng)的角動量將不守恒28第七章原子核物理概論泡利的泡利的“中微子假說中微子假說” ” (1930)(1930)泡利的中微子假說解決了第一個難題泡利的中微子假說解決了第一個難題.泡利泡利:“:“只有假定在衰變過程中只有假定在衰變過程中, ,伴隨著每一個電子有一個輕伴隨著每一個電子有一個輕的中性粒子的中性粒子( (中微子中微子) )一起被發(fā)射出

26、來一起被發(fā)射出來, ,使中微子和電子的能量使中微子和電子的能量之和為常數(shù)之和為常數(shù), ,才能解釋連續(xù)才能解釋連續(xù)譜譜.”.” 換言之換言之.衰變能應(yīng)在電子、中微子和子核間進行分配衰變能應(yīng)在電子、中微子和子核間進行分配,即即:YeEEEE 0 由于子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量由于子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量,故子核的反沖能故子核的反沖能EY0.因而衰變因而衰變能主要在電子和中微子之間進行分配能主要在電子和中微子之間進行分配. )(00000即即電電子子能能量量取取極極大大值值時時，的的任任何何值值）（電電子子可可取取時時，當當EEEEEEEEmeme29第七章原子核物理概論一般認為中微子的靜質(zhì)量為一般認為中微子

27、的靜質(zhì)量為0.后來的研究表明后來的研究表明m0（尚待進（尚待進一步研究）一步研究）泡利提出中微子假說時只知道電子和質(zhì)子兩個泡利提出中微子假說時只知道電子和質(zhì)子兩個,“,“基本粒子基本粒子”. .由于中微子無電荷無靜質(zhì)量由于中微子無電荷無靜質(zhì)量, ,與物質(zhì)的相互作用極其微弱與物質(zhì)的相互作用極其微弱, ,即穿即穿透本領(lǐng)極大透本領(lǐng)極大. .因此很難捕捉到因此很難捕捉到. . 在一般物質(zhì)中在一般物質(zhì)中, ,中微子的平均自由程為中微子的平均自由程為10101616km,km,即使在核物質(zhì)中即使在核物質(zhì)中, ,其平均自由程也達其平均自由程也達1km,1km,因此它穿越地球被俘獲的幾率為因此它穿越地球被俘獲

28、的幾率為1010-12-12. . 1930 1930年預(yù)言中微子存在年預(yù)言中微子存在, ,直到直到2626年后年后(1956(1956年年) )才通過實驗探測才通過實驗探測到它到它. . 30第七章原子核物理概論泡利的中微子假設(shè)引起不少懷疑泡利的中微子假設(shè)引起不少懷疑,但費米不僅接受且用于解決但費米不僅接受且用于解決了第二個難題了第二個難題.費米解決了第二個難題費米解決了第二個難題 +.而而.中子與中子與質(zhì)子的轉(zhuǎn)變相當于量子態(tài)間的躍遷質(zhì)子的轉(zhuǎn)變相當于量子態(tài)間的躍遷,在躍遷過程中放出電子和在躍遷過程中放出電子和中微子中微子.它們原本不存在核內(nèi)它們原本不存在核內(nèi),好像光子是原子不同狀態(tài)間的躍遷的

29、產(chǎn)好像光子是原子不同狀態(tài)間的躍遷的產(chǎn)物一樣物一樣.區(qū)別在于區(qū)別在于31第七章原子核物理概論1928年狄拉克由相對論量子力學(xué)預(yù)言正電子的存在年狄拉克由相對論量子力學(xué)預(yù)言正電子的存在.1932年安德遜在宇宙線中觀察到正電子年安德遜在宇宙線中觀察到正電子. 正電子與電子相遇會湮滅而產(chǎn)生一對正電子與電子相遇會湮滅而產(chǎn)生一對 0.51MeV 的的光子光子正電子（簡介）正電子（簡介）32第七章原子核物理概論大量來自反應(yīng)堆的反中微子流投射到含鎘化合物溶液的水槽大量來自反應(yīng)堆的反中微子流投射到含鎘化合物溶液的水槽中中,反中微子被水中的質(zhì)子俘獲反中微子被水中的質(zhì)子俘獲,放出一個正電子和一個中子：放出一個正電子和

30、一個中子：nep 正電子與電子湮滅而產(chǎn)生一對正電子與電子湮滅而產(chǎn)生一對光子光子. .新產(chǎn)生的中子經(jīng)幾微秒新產(chǎn)生的中子經(jīng)幾微秒的遷移后被鎘核俘獲的遷移后被鎘核俘獲, ,而受激鎘核放出而受激鎘核放出3 3至至4 4個個光子回到基態(tài)光子回到基態(tài). .記錄下來的反應(yīng)約每小時記錄下來的反應(yīng)約每小時3 3次次. .捕獲中微子捕獲中微子 en 柯恩、萊尼斯的中微子實驗簡介柯恩、萊尼斯的中微子實驗簡介33第七章原子核物理概論- -衰變衰變-衰變以從左上方向右下方畫的衰變以從左上方向右下方畫的箭頭表示箭頭表示.圖中圖中粒子的最大動能為粒子的最大動能為0.0186MeV,此即為衰變能此即為衰變能.100%表表示全

31、部衰變到的基態(tài)示全部衰變到的基態(tài).eAZAZY+eX 1例如例如:eBa+eCs- 衰變能衰變能:20)(cMMEYX 2.- 衰變發(fā)生的條件衰變發(fā)生的條件:Ed0,即即:YXMM 3.- 衰變綱圖（依慣例衰變綱圖（依慣例)33.12(3年年 THHe3）（1000186. 0 的衰變綱圖的衰變綱圖He3例例: eHeH33衰變綱圖中能量單位為衰變綱圖中能量單位為MeV(下同下同)34第七章原子核物理概論+ +衰變衰變 eYXAZAZ1eC+eN 136137例如例如:1.+ 衰變能衰變能:20)2(cmMMEeYX 3.+ 衰變綱圖衰變綱圖2.+ 衰變發(fā)生的條件衰變

32、發(fā)生的條件:Ed0,即即:eYXmMM2 ）（ 10019. 1 min)96. 9(13 TNC13）（ 02. 122cme的衰變綱圖的衰變綱圖N13例例:eeCN 1313從從13N的放射性測量的放射性測量,可以可以推算推算12C的數(shù)量的數(shù)量.35第七章原子核物理概論發(fā)生原因發(fā)生原因:母核中子或質(zhì)子過多母核中子或質(zhì)子過多 衰變示意圖衰變示意圖+ + + + + + + + + +質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，并且質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，并且?guī)ё咭粋€單位的正電荷帶走一個單位的正電荷中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且?guī)ё咭粋€單位的負電荷帶走一個單位的負電荷+ +反中微子反中微子中微子中微子 三種子體分享裂變

33、能三種子體分享裂變能因此電子具有連續(xù)能量因此電子具有連續(xù)能量36第七章原子核物理概論軌道電子俘獲軌道電子俘獲(EC)(EC)eAZAZY+X+e 1 母核俘獲核外軌道的一個電子使母核中的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子母核俘獲核外軌道的一個電子使母核中的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子,過渡到子核同時放出一個中微子過渡到子核同時放出一個中微子.由于由于K層電子最靠近核層電子最靠近核, ,最易被俘獲最易被俘獲. .例如例如:eFe+Co+e 57265727 1. EC的的衰變能衰變能:iYXiiYeXiWcMMEorWcmmmE 2020:）（）（第第i層電子被俘獲層電子被俘獲,Wi 是原子第是原子第 i 層電子的結(jié)合能層電

34、子的結(jié)合能.2. EC發(fā)生條件發(fā)生條件:Edi0,即即:2/cWMMi YX37第七章原子核物理概論ECEC示意圖示意圖 質(zhì)子變成中子質(zhì)子變成中子X X射線射線38第七章原子核物理概論與與衰變有關(guān)的其它衰變方式衰變有關(guān)的其它衰變方式1.中微子吸收：中微子吸收： enp本質(zhì)同本質(zhì)同衰變衰變,1956年科范和萊恩斯利用此過程直接證明了中年科范和萊恩斯利用此過程直接證明了中微子的存在微子的存在.2.雙雙衰變：產(chǎn)生一個電子衰變：產(chǎn)生一個電子必然產(chǎn)生一個中微子必然產(chǎn)生一個中微子. 221305413052 eXeTe3.延遲中子發(fā)射延遲中子發(fā)射緩中子緩中子n)6 .55(87sTBr Kr87）（300

35、 . 8 ）（706 . 2 Kr864 . 539第七章原子核物理概論0 12 3 4 567 8 987654321線線N ZN127C126B125 40第七章原子核物理概論7-8 7-8 衰變衰變1.一般性質(zhì)一般性質(zhì)原子核發(fā)生原子核發(fā)生、衰變時往往衰變到子核的激發(fā)態(tài)衰變時往往衰變到子核的激發(fā)態(tài). .處于激發(fā)處于激發(fā)態(tài)的核不穩(wěn)定態(tài)的核不穩(wěn)定, ,要向低激發(fā)態(tài)躍遷要向低激發(fā)態(tài)躍遷, ,同時往往放出同時往往放出光子光子, ,此即此即衰變衰變. .例如例如6060CoCo的衰變的衰變. .)27. 5(60aTCo %)100(309. 0 Ni60MeV33. 12 2.50MeV1.33M

36、eV0MeV17. 11 的的衰衰變變綱綱圖圖Co602.內(nèi)轉(zhuǎn)換電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子:核從激發(fā)態(tài)向低能級躍遷時不核從激發(fā)態(tài)向低能級躍遷時不一定放出一定放出光子光子,而是把這部分能量而是把這部分能量直接交給核外電子而使電子離開直接交給核外電子而使電子離開原子原子,此謂內(nèi)轉(zhuǎn)換此謂內(nèi)轉(zhuǎn)換,釋放的電子稱釋放的電子稱內(nèi)內(nèi)轉(zhuǎn)換電子轉(zhuǎn)換電子.41第七章原子核物理概論若光子能量為若光子能量為E(不計核釋放光子后的反沖不計核釋放光子后的反沖)，i層電子的結(jié)合能層電子的結(jié)合能為為Wi，則內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能量就是，則內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能量就是Ee=EEi顯然顯然,內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能譜是分立的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能譜是分立的. 一般地一般地,重

37、核低激發(fā)態(tài)躍遷時發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的概率較大重核低激發(fā)態(tài)躍遷時發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的概率較大. NNe （亦稱亦稱轉(zhuǎn)換和躍遷相對概率）轉(zhuǎn)換和躍遷相對概率）42第七章原子核物理概論3.同質(zhì)異能躍遷同質(zhì)異能躍遷( IT ) 通常通常,處于激發(fā)態(tài)的原子核壽命處于激發(fā)態(tài)的原子核壽命短暫短暫,典型值為典型值為10-14s.“同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素”:處于亞穩(wěn)態(tài)處于亞穩(wěn)態(tài)的壽命較長的激發(fā)態(tài)的壽命較長的激發(fā)態(tài). “同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素”的表示的表示:一般一般在核素左上角質(zhì)量數(shù)旁加在核素左上角質(zhì)量數(shù)旁加“m”.Inm113同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素)118(116dTSn min)104(113 TInIn113%)8 . 1

38、(EC%)2 .98(EC253. 0 %)35(%)65(IC 393. 043第七章原子核物理概論 衰變示意圖衰變示意圖+ + + + + + + + + +中微子中微子 光子光子44第七章原子核物理概論穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(1958)(1958)原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷所發(fā)射的光子原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷所發(fā)射的光子,會被會被基態(tài)的同種原子吸收基態(tài)的同種原子吸收(甚強甚強). 例如例如:用鈉燈照射鈉蒸汽用鈉燈照射鈉蒸汽,后者會強烈地吸收前者的黃光后者會強烈地吸收前者的黃光人們認為原子核也應(yīng)有共振吸收現(xiàn)象人們認為原子核也應(yīng)有共振吸收現(xiàn)象, ,它可強烈吸收同類核素它可強烈吸收同類核素發(fā)出的發(fā)

39、出的射線射線, ,然而長期觀察不到此現(xiàn)象然而長期觀察不到此現(xiàn)象. . 后來知道這是后來知道這是部分能量被反沖核帶走部分能量被反沖核帶走, ,使使光子的能量光子的能量( (或說頻率或說頻率) )發(fā)生發(fā)生“漂移漂移”. .解決方案解決方案1 1：避免能量損失的方法：避免能量損失的方法解決方案解決方案2 2：采取補償能量損失的方法：采取補償能量損失的方法 如如: :使發(fā)射源以適當?shù)乃俣冗\動可補償反沖核損使發(fā)射源以適當?shù)乃俣冗\動可補償反沖核損失的能量失的能量, ,但在技術(shù)上較困難但在技術(shù)上較困難. .45第七章原子核物理概論 在在 衰變中衰變中, ,處于激發(fā)態(tài)的核由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時處于激發(fā)態(tài)的核由

40、高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時,子核與子核與 光子的總動量和總能量是守恒的光子的總動量和總能量是守恒的,亦即子核具有一定的反沖動量亦即子核具有一定的反沖動量和反沖能和反沖能. 設(shè)原子核質(zhì)量為設(shè)原子核質(zhì)量為m,原來處于靜止狀態(tài)原來處于靜止狀態(tài),據(jù)動量守恒律據(jù)動量守恒律,釋放釋放 光光子后核的反沖動量子后核的反沖動量mv應(yīng)該等于放出應(yīng)該等于放出 光子的動量光子的動量.即即: 2222)(2 :mchmpEchmvpRR 核核的的反反沖沖能能核核的的反反沖沖動動量量46第七章原子核物理概論 原子核原子核放出放出 光子時光子時, ,核帶走了一部分能量核帶走了一部分能量; ;原子核吸收原子核吸收 光子發(fā)光子發(fā)生吸

41、收共振時生吸收共振時, ,吸收核也有一個反沖吸收核也有一個反沖, ,能量關(guān)系為能量關(guān)系為: : RRREEEEEEEEa2:000 光子光子核吸收核吸收光子光子核發(fā)射核發(fā)射 可見可見,實際發(fā)射線與要求的吸收線相差實際發(fā)射線與要求的吸收線相差2ER.發(fā)射線發(fā)射線吸收線吸收線REE 0RE2REE 00E 如圖所示如圖所示, 發(fā)射線中心值與吸收線發(fā)射線中心值與吸收線中心值不重合中心值不重合.但由于發(fā)射線和吸收線但由于發(fā)射線和吸收線都有一定寬度都有一定寬度,將會有部分交疊區(qū)將會有部分交疊區(qū). 只有當發(fā)射譜和吸收譜相互重疊時只有當發(fā)射譜和吸收譜相互重疊時,才可能發(fā)生才可能發(fā)生 共振吸收共振吸收. RE47第七章原子核物理概論 任何有一定壽命的激發(fā)態(tài)都存在一定的能級寬度任何有一定壽命的激發(fā)態(tài)都存在一定的能級寬度.根據(jù)不確根據(jù)不確定關(guān)系可以求得核的能級寬度約為定關(guān)系可以求得核的能級寬度約為: 例如例如,57Fe的第一激發(fā)態(tài)能級半衰期為的第一激發(fā)態(tài)能級半衰期為9.810-