1、教材教材: :原子物理学原子物理学, ,杨福家杨福家, ,高教社高教社,2008,2008第四版第四版Manufacture: Zhu Qiao ZhongZhu Qiao Zhong原子核物理概论原子核物理概论第七章第七章(2)(2)Nuclear physics introduction2第七章原子核物理概论第七章第七章(2) 原子核物理概论原子核物理概论7-5 放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律7-6 衰变衰变7-7 衰变衰变7-8 衰变衰变目录目录3第七章原子核物理概论在迄今为止发现的在迄今为止发现的3000多种核素中多种核素中,绝大多数都不稳定绝大多数都不稳定,会自发会自发地蜕变为
2、另一种核素同时放出各种射线地蜕变为另一种核素同时放出各种射线.这种现象称为放射性衰变这种现象称为放射性衰变.放射性衰变过程中放射性衰变过程中, 原来的核素原来的核素 (母体母体) 变为变为另一种核素另一种核素(子体子体), 或者或者进入另一种能量状态进入另一种能量状态.7-5 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律4第七章原子核物理概论衰变的位移定则衰变的位移定则: : 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. .射线能使气体电离射线能使气体电离, ,但穿透本领很小但穿透本领很小. . )(422228622688 HeRnRa 例例：衰变衰变衰变的位移定则衰变的
3、位移定则: : 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. . 射线电离本领较弱射线电离本领较弱, ,但有较强的穿透本领但有较强的穿透本领. .ePoBi012108421083 例例：衰变衰变高能短波电磁辐射（即电子波）高能短波电磁辐射（即电子波）射线几乎没有电离本领射线几乎没有电离本领, ,但穿透本领很强但穿透本领很强. . CoCo6027*6027例例：衰变衰变5第七章原子核物理概论二、放射性衰变的基本规律二、放射性衰变的基本规律原子核是一个量子体系原子核是一个量子体系,核衰变是原子核自发产生的变化核衰变是原子核自发产生的变化,是是一个量子跃迁的过程一个量子跃
4、迁的过程.核衰变服从量子力学的统计规律核衰变服从量子力学的统计规律.单一的单一的一个放射性核素的衰变的精确时刻是不可预知的一个放射性核素的衰变的精确时刻是不可预知的,但足够多的同但足够多的同种放射性核素的集合体的衰变是有规律的种放射性核素的集合体的衰变是有规律的.设放射性核素数目为设放射性核素数目为N0(t0时时),在在dt内发生衰变的核数目内发生衰变的核数目-dN (dN 代表代表N的减少量的减少量,为负值为负值,故在它前面加一负号故在它前面加一负号)为为:它必定正比于当时所存在的核数目它必定正比于当时所存在的核数目N.积分后即得积分后即得:teNN 01.衰变定律衰变定律(统计规律统计规律
5、):NdtdN teNN 06第七章原子核物理概论2.2.放射性核素的特征量放射性核素的特征量 NdtdN / (分子表示单位时间内发生衰变的核数目分子表示单位时间内发生衰变的核数目) 093. 02ln T 2ln212/000 TeNNNNTtTN/No）（衰变衰变min1013 TN7第七章原子核物理概论T44. 11 表示每个核衰变前表示每个核衰变前存在时间的平均值存在时间的平均值.导出要点导出要点:在在 内内,发生衰变的核数为发生衰变的核数为 ,这些这些核的寿命为核的寿命为t ,则所有核素的总寿命为则所有核素的总寿命为 NdtdN dttt 0Ntdt 于是任一核素于是任一核素的平均
6、寿命为的平均寿命为:TTNNtdt44. 12ln100 可见可见.将上式代入衰变规律还可得到将上式代入衰变规律还可得到: 010%37NeNN 表示表示:8第七章原子核物理概论放射性活度放射性活度A(A(也称也称“放射性强度放射性强度”,“,“放射率放射率”,“,“衰衰变率变率”):):放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数. . 3.3.放射性活度放射性活度A AteAA 0A描述放射源每秒发生核衰变的次数描述放射源每秒发生核衰变的次数,并不表示放射出的粒子数并不表示放射出的粒子数.导出要点导出要点:tteAeNNdtdNA 00A的单位的单位(1
7、975年规定年规定):贝克勒贝克勒(或贝可或贝可)(Bq). 1Bq1次核衰变次核衰变/秒秒.A的辅助单位的辅助单位:居里居里(Gi);毫居毫居(mGi)、微居、微居(Gi)/s107 . 3(107 . 311010次衰变次衰变即即 BqGi“伦琴伦琴”、“拉德拉德”、“戈瑞戈瑞”:1伦琴伦琴(R):使使1kg空气中产生空气中产生2.510-4C的电量的辐射量的电量的辐射量;1拉德拉德(rad):1kg受照射物质吸收受照射物质吸收100尔格的辐射能量尔格的辐射能量;1戈瑞戈瑞(Gr):1kg受照射物质吸收受照射物质吸收1J的辐射能量的辐射能量.9第七章原子核物理概论测出放射性活度测出放射性活
8、度A,A,算出产生算出产生A A的核素数目的核素数目N,N,据据A=A=N N求出求出, ,则可求出则可求出: :为保证足够的计数以降低统计误差为保证足够的计数以降低统计误差,必须增大必须增大N.4.4.长半衰期的测定长半衰期的测定测定半衰期是确定放射性核素的重要方法测定半衰期是确定放射性核素的重要方法.10第七章原子核物理概论盖革计数器盖革计数器:根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的传导电流的原理设计的.每个被放大了的电脉冲每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数即代表一次放射性记数 11第七章原子核物理概论放射性放射性14
9、C鉴年法鉴年法(简介简介)利比利比W.F.Libby,14C鉴年法先鉴年法先驱驱,获获1960年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖方法：放射性方法：放射性1414C C测定年代法测定年代法依据：半衰期与反应物的起始浓度无关依据：半衰期与反应物的起始浓度无关 假定：大气中假定：大气中1414C C 、1212C C的比值恒定的比值恒定 宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应产生许多次级中子产生许多次级中子, ,这些次级中子与大气中的这些次级中子与大气中的1414N N反应而产生反应而产生1414C,C,而而1414C C自发地进行自发地进行衰变：衰变：pCNn141
10、4eNC1414由于宇宙射线的质子流、大气组分相对恒定由于宇宙射线的质子流、大气组分相对恒定, ,故上述次级中子故上述次级中子流也相对恒定流也相对恒定, ,使得使得1414C C 的产生率保持恒定的产生率保持恒定, ,经相当时间后产出与经相当时间后产出与衰变达平衡衰变达平衡, ,其数目保持不变其数目保持不变. .而大气中的而大气中的1212C C是稳定核素是稳定核素. .研究表明：研究表明：1214103 . 15730:1214CC/NNaTC大大气气中中的的半半衰衰期期12第七章原子核物理概论埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中,放射性碳放射性碳-1
11、4的比活度为的比活度为432Bqg-1 即即s-1(gC)-1,而地球上活体植物组织而地球上活体植物组织相应的比活度则为相应的比活度则为756Bqg-1,试计算该古墓建造的年代试计算该古墓建造的年代.例例1解解:衰变反应是衰变反应是: 根据一级反应的速率方程和半衰期公式根据一级反应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 如以上数据系如以上数据系2005年所得
12、年所得,则则4630-20052625即该古墓大约是公元前即该古墓大约是公元前2625年建造的年建造的. C146C146eNC01147146 13第七章原子核物理概论解解:例例2测得古墓测得古墓100g骸骨碳的衰变率为骸骨碳的衰变率为900/min,求此墓年代求此墓年代. 据衰变定律和半衰期公式据衰变定律和半衰期公式 2ln2/10TeNNt当前当前100g骸骨中的数目为骸骨中的数目为N,00ln2lnln1NNTNNt 结论：古墓年代约结论：古墓年代约为公元前为公元前2200年年C141281091. 3/1073. 4693. 057302ln1 aadtdNTdtdNN 122312
13、0105 . 61210022. 6100103 . 11001214 CACCNNNN 墓主死亡时墓主死亡时100g骸骨碳中含原子的数目为：骸骨碳中含原子的数目为：C14aaNNTt4200105 . 61091. 3ln693. 05730ln2ln12120 aadtdN/1073. 4/3652460900min/9008 14第七章原子核物理概论 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体衰变素大多具有多代母子体衰变关系关系. . 母体放射性核素经多母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素生成稳定核素. . 镎镎 系系钍钍
14、系系锕锕 系系铀铀 系系15第七章原子核物理概论以两代衰变以两代衰变(ABC) 为例为例)A的衰变服从衰变律的衰变服从衰变律: B一方面衰变为一方面衰变为C,一方面又不断从一方面又不断从A处获得补充处获得补充,所以所以B的衰变的衰变规律与规律与 A, B 有关有关:这时子核将按母核的衰变规律衰变这时子核将按母核的衰变规律衰变.这一个重要结论启示人们这一个重要结论启示人们保存短寿命核素的一个方法保存短寿命核素的一个方法.5.5.简单的级联衰变简单的级联衰变tAAAeNN 0)(0ttABAABBAeeNN 若若,当时当时AB Bt tBAABAeNN 016第七章原子核物理概论Th23290Pb
15、20882nA4 U23892Pb2068224 nAU23592Pb2078234 nAPu24194Bi2098314 nA自然界存在四个天然衰变链自然界存在四个天然衰变链镎系中镎系中, ,镎的半衰期最长镎的半衰期最长, ,为为2.14l06 年年, ,比地球年龄短得多比地球年龄短得多, ,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论80 85 90 ZN145140135130125 钍系钍系(4n)Th23290Ra22888Th22890Ra22488Rn22086Po21684Pb21282Po21284Pb20882Tl20881钍系、铀系级联衰变钍系、铀系
16、级联衰变80 85 90 ZN145140135130125U23892U23492Th23490Pa23491Tb23090Ra22688Rn22286Po21884Pb21482At21885Bi21484Tl21481Po21484Pb21082Bi21083Tl21081Po21084Pb2068218第七章原子核物理概论80 85 90 ZN145140135130125U23592Pa23191Th23190Th22789Fr22387Th22790Ra22388Rn21986Pb21182Ro21584At21585Tl20781Bi21183Po21184Pb20782锕系、镎
17、系级联衰变锕系、镎系级联衰变80 85 90 ZN145140135130125Np23793Pa23391Ac23589Fr22187At21785U23592Ra22588Th22989Br21383Tl20981Po21384Pb20982Bi2098319第七章原子核物理概论6.6.同位素生产同位素生产人工放射性核素一般是靠核反应方法产生的人工放射性核素一般是靠核反应方法产生的.在其产生的同时在其产生的同时即在发生衰变即在发生衰变.怎样达到一个最佳的产出率呢？怎样达到一个最佳的产出率呢？设某时刻未衰变核素为设某时刻未衰变核素为N,核素的产出率为核素的产出率为P,则：则： NPdtdN
18、则此齐次方程的通解为：则此齐次方程的通解为：tCeN 考虑初始条件考虑初始条件,有有tttttttePNCeNPCNN 000此齐次方程的解为：此齐次方程的解为：)1(tePN 20第七章原子核物理概论表示为放射性活度：表示为放射性活度：)21()1(TttPePNA 0 1 2 3 40.51.0A/Pt/T显然显然,经过经过1T时时A可达到可达到P的的50%,经过经过2T时时A可达到可达到P的的75%从左图知从左图知,无论工作时间多长无论工作时间多长,最最大的大的A不超过不超过P.21第七章原子核物理概论 YXAZAZ427-6 7-6 衰变衰变1. 衰变的条件：衰变的条件： MMMYX推
19、导要点推导要点:设母核设母核X、子核、子核Y和和 粒子的静质量分别为粒子的静质量分别为mX、mY、m ; 粒子的动能为粒子的动能为E ,子核的反冲动能为子核的反冲动能为Er.rYXEEcmcmcm 222一般认为衰变前母核一般认为衰变前母核静止静止,据能量守恒律有：据能量守恒律有：rdefEEE0eXeYYeXXmMmmZMmZmMm2)2( 由于核素表给出的是原子质量由于核素表给出的是原子质量而非核质量而非核质量,所以可表示为：所以可表示为：这里忽略了电子与核之间的结合能这里忽略了电子与核之间的结合能.20)(cMMMEYX 发生发生 衰变的条件为衰变的条件为Q 0,即：即：)(HeYXMM
20、M或或22第七章原子核物理概论2. 衰变能衰变能:EAAE40子核反冲的动量等于子核反冲的动量等于 粒子的动量粒子的动量,即即:YYYYmvmvvmvm YYYEmmvmEE）（ 12120 EAA4是原子核衰变时所释放出的能量是原子核衰变时所释放出的能量,是研究衰变过程的重是研究衰变过程的重要物理量要物理量.这部分能量将转变为衰变生成的所有粒子的动能这部分能量将转变为衰变生成的所有粒子的动能.23第七章原子核物理概论卢瑟福与盖革在实验室观测卢瑟福与盖革在实验室观测粒子粒子24第七章原子核物理概论3. 衰变的重要特点：衰变的重要特点： 射线的能谱是分立谱射线的能谱是分立谱.212Bi 的的能谱
21、能谱MeVE / 相对相对强度强度5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 核内部能量也以能级形式分布核内部能量也以能级形式分布, 衰变时母核从自身某一能级衰变时母核从自身某一能级跃迁到子核某一能级跃迁到子核某一能级,放出一部分能量并分给子核和放出一部分能量并分给子核和 粒子作为粒子作为它们的动能它们的动能. 母核到子核的转变放出母核到子核的转变放出的就是衰变能的就是衰变能Ed, 必等于母必等于母核与子核的相应能级间的核与子核的相应能级间的能量差能量差,应有确定值应有确定值.所以所以 粒子的动能粒子的动能E 只能取分立只能取分立值值.25第七章原子核物理概论4. 衰变的机制与寿命衰变的机制与寿命
22、核力是短程力核力是短程力, 而库仑斥力为长程力而库仑斥力为长程力.在多质子的核内在多质子的核内,核力几核力几乎不能乎不能“补偿补偿”质子间的相互排斥质子间的相互排斥,于是要发生衰变于是要发生衰变,以减少质子以减少质子数来增加稳定性数来增加稳定性.事实上事实上,Z83的核素都不稳定的核素都不稳定.衰变产生的粒子来自核内衰变产生的粒子来自核内, ,核内的核内的粒子受核粒子受核力吸引力吸引(负势负势能能),在核外在核外,粒子受到库仑力的排斥粒子受到库仑力的排斥. 这样这样,在核的表面形成一个在核的表面形成一个势垒势垒.由于微观粒子的波动性由于微观粒子的波动性,能量小的能量小的粒子也有一定的几率穿过势
23、垒而从粒子也有一定的几率穿过势垒而从核内逸出核内逸出(隧道效应隧道效应). 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应穿过势垒跑到核是因量子隧道效应穿过势垒跑到核外的外的.并证明并证明: R b r)(rVRE E 0库仑势库仑势粒子的势垒粒子的势垒核势核势26第七章原子核物理概论 衰变示意图衰变示意图+ + + + + + + + + +从母核中射从母核中射出的出的4 4HeHe核核 粒子得到粒子得到大部分衰变能大部分衰变能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论衰变碰到的两个难题衰变碰到的两
24、个难题1) 能量守恒律及核能级量子化能量守恒律及核能级量子化表明核的能谱应当是离散的表明核的能谱应当是离散的,而而-射射线的能谱是连续的线的能谱是连续的.为什么为什么?7-7衰变衰变00.20.40.60.81.0强度强度IMeVE / 161284能谱能谱核的核的 Bi21083原子核的衰变能原子核的衰变能E0是一定的是一定的. E0在核在核 与与粒子之间分配粒子之间分配,若若粒子分得的能量是连续的粒子分得的能量是连续的,则意味着核能则意味着核能级也是连续的级也是连续的.那么那么,在没有核能级处在没有核能级处,系统的能量不守恒系统的能量不守恒2) 不确定关系不允许核内有电子不确定关系不允许核
25、内有电子,那么那么衰变放出的电子从衰变放出的电子从何而来？何而来？在在衰变中衰变中A A不变不变, ,由由A A决定的核自旋角动量不变决定的核自旋角动量不变, ,但电子具有但电子具有1/21/2的自旋的自旋, ,放出电子后放出电子后, ,系统的角动量将不守恒系统的角动量将不守恒28第七章原子核物理概论泡利的泡利的“中微子假说中微子假说” ” (1930)(1930)泡利的中微子假说解决了第一个难题泡利的中微子假说解决了第一个难题.泡利泡利:“:“只有假定在衰变过程中只有假定在衰变过程中, ,伴随着每一个电子有一个轻伴随着每一个电子有一个轻的中性粒子的中性粒子( (中微子中微子) )一起被发射出
26、来一起被发射出来, ,使中微子和电子的能量使中微子和电子的能量之和为常数之和为常数, ,才能解释连续才能解释连续谱谱.”.” 换言之换言之.衰变能应在电子、中微子和子核间进行分配衰变能应在电子、中微子和子核间进行分配,即即:YeEEEE 0 由于子质量远大于电子质量由于子质量远大于电子质量,故子核的反冲能故子核的反冲能EY0.因而衰变因而衰变能主要在电子和中微子之间进行分配能主要在电子和中微子之间进行分配. )(00000即即电电子子能能量量取取极极大大值值时时，的的任任何何值值）（电电子子可可取取时时，当当EEEEEEEEmeme29第七章原子核物理概论一般认为中微子的静质量为一般认为中微子
27、的静质量为0.后来的研究表明后来的研究表明m0（尚待进（尚待进一步研究）一步研究）泡利提出中微子假说时只知道电子和质子两个泡利提出中微子假说时只知道电子和质子两个,“,“基本粒子基本粒子”. .由于中微子无电荷无静质量由于中微子无电荷无静质量, ,与物质的相互作用极其微弱与物质的相互作用极其微弱, ,即穿即穿透本领极大透本领极大. .因此很难捕捉到因此很难捕捉到. . 在一般物质中在一般物质中, ,中微子的平均自由程为中微子的平均自由程为10101616km,km,即使在核物质中即使在核物质中, ,其平均自由程也达其平均自由程也达1km,1km,因此它穿越地球被俘获的几率为因此它穿越地球被俘获
28、的几率为1010-12-12. . 1930 1930年预言中微子存在年预言中微子存在, ,直到直到2626年后年后(1956(1956年年) )才通过实验探测才通过实验探测到它到它. . 30第七章原子核物理概论泡利的中微子假设引起不少怀疑泡利的中微子假设引起不少怀疑,但费米不仅接受且用于解决但费米不仅接受且用于解决了第二个难题了第二个难题.费米解决了第二个难题费米解决了第二个难题 +.而而.中子与中子与质子的转变相当于量子态间的跃迁质子的转变相当于量子态间的跃迁,在跃迁过程中放出电子和在跃迁过程中放出电子和中微子中微子.它们原本不存在核内它们原本不存在核内,好像光子是原子不同状态间的跃迁的
29、产好像光子是原子不同状态间的跃迁的产物一样物一样.区别在于区别在于31第七章原子核物理概论1928年狄拉克由相对论量子力学预言正电子的存在年狄拉克由相对论量子力学预言正电子的存在.1932年安德逊在宇宙线中观察到正电子年安德逊在宇宙线中观察到正电子. 正电子与电子相遇会湮灭而产生一对正电子与电子相遇会湮灭而产生一对 0.51MeV 的的光子光子正电子（简介）正电子（简介）32第七章原子核物理概论大量来自反应堆的反中微子流投射到含镉化合物溶液的水槽大量来自反应堆的反中微子流投射到含镉化合物溶液的水槽中中,反中微子被水中的质子俘获反中微子被水中的质子俘获,放出一个正电子和一个中子：放出一个正电子和
30、一个中子：nep 正电子与电子湮灭而产生一对正电子与电子湮灭而产生一对光子光子. .新产生的中子经几微秒新产生的中子经几微秒的迁移后被镉核俘获的迁移后被镉核俘获, ,而受激镉核放出而受激镉核放出3 3至至4 4个个光子回到基态光子回到基态. .记录下来的反应约每小时记录下来的反应约每小时3 3次次. .捕获中微子捕获中微子 en 柯恩、莱尼斯的中微子实验简介柯恩、莱尼斯的中微子实验简介33第七章原子核物理概论- -衰变衰变-衰变以从左上方向右下方画的衰变以从左上方向右下方画的箭头表示箭头表示.图中图中粒子的最大动能为粒子的最大动能为0.0186MeV,此即为衰变能此即为衰变能.100%表表示全
31、部衰变到的基态示全部衰变到的基态.eAZAZY+eX 1例如例如:eBa+eCs 13756137551.- 衰变能衰变能:20)(cMMEYX 2.- 衰变发生的条件衰变发生的条件:Ed0,即即:YXMM 3.- 衰变纲图（依惯例衰变纲图（依惯例)33.12(3年年 THHe3）（1000186. 0 的衰变纲图的衰变纲图He3例例: eHeH33衰变纲图中能量单位为衰变纲图中能量单位为MeV(下同下同)34第七章原子核物理概论+ +衰变衰变 eYXAZAZ1eC+eN 136137例如例如:1.+ 衰变能衰变能:20)2(cmMMEeYX 3.+ 衰变纲图衰变纲图2.+ 衰变发生的条件衰变
32、发生的条件:Ed0,即即:eYXmMM2 ）（ 10019. 1 min)96. 9(13 TNC13）（ 02. 122cme的衰变纲图的衰变纲图N13例例:eeCN 1313从从13N的放射性测量的放射性测量,可以可以推算推算12C的数量的数量.35第七章原子核物理概论发生原因发生原因:母核中子或质子过多母核中子或质子过多 衰变示意图衰变示意图+ + + + + + + + + +质子转变成中子，并且质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷带走一个单位的负电荷+ +反中微子反中微子中微子中微子 三种子体分享裂变
33、能三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量因此电子具有连续能量36第七章原子核物理概论轨道电子俘获轨道电子俘获(EC)(EC)eAZAZY+X+e 1 母核俘获核外轨道的一个电子使母核中的一个质子转为中子母核俘获核外轨道的一个电子使母核中的一个质子转为中子,过渡到子核同时放出一个中微子过渡到子核同时放出一个中微子.由于由于K层电子最靠近核层电子最靠近核, ,最易被俘获最易被俘获. .例如例如:eFe+Co+e 57265727 1. EC的的衰变能衰变能:iYXiiYeXiWcMMEorWcmmmE 2020:）（）（第第i层电子被俘获层电子被俘获,Wi 是原子第是原子第 i 层电子的结合能层电
34、子的结合能.2. EC发生条件发生条件:Edi0,即即:2/cWMMi YX37第七章原子核物理概论ECEC示意图示意图 质子变成中子质子变成中子X X射线射线38第七章原子核物理概论与与衰变有关的其它衰变方式衰变有关的其它衰变方式1.中微子吸收：中微子吸收： enp本质同本质同衰变衰变,1956年科范和莱恩斯利用此过程直接证明了中年科范和莱恩斯利用此过程直接证明了中微子的存在微子的存在.2.双双衰变：产生一个电子衰变：产生一个电子必然产生一个中微子必然产生一个中微子. 221305413052 eXeTe3.延迟中子发射延迟中子发射缓中子缓中子n)6 .55(87sTBr Kr87）（300
35、 . 8 ）（706 . 2 Kr864 . 539第七章原子核物理概论0 12 3 4 567 8 987654321线线N ZN127C126B125 40第七章原子核物理概论7-8 7-8 衰变衰变1.一般性质一般性质原子核发生原子核发生、衰变时往往衰变到子核的激发态衰变时往往衰变到子核的激发态. .处于激发处于激发态的核不稳定态的核不稳定, ,要向低激发态跃迁要向低激发态跃迁, ,同时往往放出同时往往放出光子光子, ,此即此即衰变衰变. .例如例如6060CoCo的衰变的衰变. .)27. 5(60aTCo %)100(309. 0 Ni60MeV33. 12 2.50MeV1.33M
36、eV0MeV17. 11 的的衰衰变变纲纲图图Co602.内转换电子内转换电子:核从激发态向低能级跃迁时不核从激发态向低能级跃迁时不一定放出一定放出光子光子,而是把这部分能量而是把这部分能量直接交给核外电子而使电子离开直接交给核外电子而使电子离开原子原子,此谓内转换此谓内转换,释放的电子称释放的电子称内内转换电子转换电子.41第七章原子核物理概论若光子能量为若光子能量为E(不计核释放光子后的反冲不计核释放光子后的反冲)，i层电子的结合能层电子的结合能为为Wi，则内转换电子的能量就是，则内转换电子的能量就是Ee=EEi显然显然,内转换电子的能谱是分立的内转换电子的能谱是分立的. 一般地一般地,重
37、核低激发态跃迁时发生内转换电子的概率较大重核低激发态跃迁时发生内转换电子的概率较大. NNe （亦称亦称转换和跃迁相对概率）转换和跃迁相对概率）42第七章原子核物理概论3.同质异能跃迁同质异能跃迁( IT ) 通常通常,处于激发态的原子核寿命处于激发态的原子核寿命短暂短暂,典型值为典型值为10-14s.“同质异能素同质异能素”:处于亚稳态处于亚稳态的寿命较长的激发态的寿命较长的激发态. “同质异能素同质异能素”的表示的表示:一般一般在核素左上角质量数旁加在核素左上角质量数旁加“m”.Inm113同质异能素同质异能素)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论 衰变示意图衰变示意图+ + + + + + + + + +中微子中微子 光子光子44第七章原子核物理概论穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应(1958)(1958)原子从激发态向基态跃迁所发射的光子原子从激发态向基态跃迁所发射的光子,会被会被基态的同种原子吸收基态的同种原子吸收(甚强甚强). 例如例如:用钠灯照射钠蒸汽用钠灯照射钠蒸汽,后者会强烈地吸收前者的黄光后者会强烈地吸收前者的黄光人们认为原子核也应有共振吸收现象人们认为原子核也应有共振吸收现象, ,它可强烈吸收同类核素它可强烈吸收同类核素发出的发
39、出的射线射线, ,然而长期观察不到此现象然而长期观察不到此现象. . 后来知道这是后来知道这是部分能量被反冲核带走部分能量被反冲核带走, ,使使光子的能量光子的能量( (或说频率或说频率) )发生发生“漂移漂移”. .解决方案解决方案1 1：避免能量损失的方法：避免能量损失的方法解决方案解决方案2 2：采取补偿能量损失的方法：采取补偿能量损失的方法 如如: :使发射源以适当的速度运动可补偿反冲核损使发射源以适当的速度运动可补偿反冲核损失的能量失的能量, ,但在技术上较困难但在技术上较困难. .45第七章原子核物理概论 在在 衰变中衰变中, ,处于激发态的核由高能态向低能态跃迁时处于激发态的核由
40、高能态向低能态跃迁时,子核与子核与 光子的总动量和总能量是守恒的光子的总动量和总能量是守恒的,亦即子核具有一定的反冲动量亦即子核具有一定的反冲动量和反冲能和反冲能. 设原子核质量为设原子核质量为m,原来处于静止状态原来处于静止状态,据动量守恒律据动量守恒律,释放释放 光光子后核的反冲动量子后核的反冲动量mv应该等于放出应该等于放出 光子的动量光子的动量.即即: 2222)(2 :mchmpEchmvpRR 核核的的反反冲冲能能核核的的反反冲冲动动量量46第七章原子核物理概论 原子核原子核放出放出 光子时光子时, ,核带走了一部分能量核带走了一部分能量; ;原子核吸收原子核吸收 光子发光子发生吸
41、收共振时生吸收共振时, ,吸收核也有一个反冲吸收核也有一个反冲, ,能量关系为能量关系为: : RRREEEEEEEEa2:000 光子光子核吸收核吸收光子光子核发射核发射 可见可见,实际发射线与要求的吸收线相差实际发射线与要求的吸收线相差2ER.发射线发射线吸收线吸收线REE 0RE2REE 00E 如图所示如图所示, 发射线中心值与吸收线发射线中心值与吸收线中心值不重合中心值不重合.但由于发射线和吸收线但由于发射线和吸收线都有一定宽度都有一定宽度,将会有部分交叠区将会有部分交叠区. 只有当发射谱和吸收谱相互重叠时只有当发射谱和吸收谱相互重叠时,才可能发生才可能发生 共振吸收共振吸收. RE
42、47第七章原子核物理概论 任何有一定寿命的激发态都存在一定的能级宽度任何有一定寿命的激发态都存在一定的能级宽度.根据不确根据不确定关系可以求得核的能级宽度约为定关系可以求得核的能级宽度约为: 例如例如,57Fe的第一激发态能级半衰期为的第一激发态能级半衰期为9.810-8s,据此可得出能据此可得出能级宽度级宽度 跃迁到基态将释放跃迁到基态将释放14.4keV的的 光子光子,据此可得出反冲能据此可得出反冲能. RREeVuMeVukeVmchEeVssMeVcc32229822102/931572)4 .14(2)(107 . 6108 . 910582. 648第七章原子核物理概论R.L.Mo
43、ssbauer, (1929-) 德德,获获1961年度诺贝尔奖物理学奖年度诺贝尔奖物理学奖1958年年,穆斯堡尔发现穆斯堡尔发现:如果将放射性核素固定在晶体中如果将放射性核素固定在晶体中,遭反冲遭反冲的就不是单个原子核的就不是单个原子核,而是整块晶体而是整块晶体.此时由于此时由于m很大很大,所以反冲能所以反冲能ER0.核的共振吸收就可以发生核的共振吸收就可以发生.这就是穆斯堡尔效应这就是穆斯堡尔效应. (1956年年,穆斯堡尔在慕尼黑大学准备博士论文时穆斯堡尔在慕尼黑大学准备博士论文时, 发现通过把铱原子核固定在晶格上发现通过把铱原子核固定在晶格上,实际上可以消实际上可以消除它们的反冲及其对
44、波长的影响除它们的反冲及其对波长的影响.1958发表论文发表论文 )穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应( (无反冲无反冲 共振吸收共振吸收):):激发态核发射的激发态核发射的 光子被另一个处光子被另一个处于基态的同类核于基态的同类核( (固定于晶体中固定于晶体中) )吸收吸收, ,而跃迁到激发态的现象而跃迁到激发态的现象. .49第七章原子核物理概论 在无反冲发射在无反冲发射 光子的情况下光子的情况下,例如例如对于对于57Fe的的14.4keV 射线射线,可测量到的可测量到的:130103 E任何与此量级相当的微小扰动均可被任何与此量级相当的微小扰动均可被 这样高的分这样高的分辨本领使得穆斯堡尔效应被广
45、泛应用于高精度测量中辨本领使得穆斯堡尔效应被广泛应用于高精度测量中. 穆斯堡尔效应对能量精度可达穆斯堡尔效应对能量精度可达1013量级量级,这一量级意味着这一量级意味着:如用如用于测月地距离可精确到于测月地距离可精确到0.01mm). 例如遥远星球放出能量为例如遥远星球放出能量为h的光子的光子,因为飞离星球时要克服星因为飞离星球时要克服星球的引力势做功球的引力势做功,因此在地球上接收到的光子能量较飞离时要小因此在地球上接收到的光子能量较飞离时要小(),即发生引力红移即发生引力红移.引力红移量一般小于引力红移量一般小于10-10量级量级.历史上应用历史上应用穆斯堡尔效应对其进行了精密测量穆斯堡尔
46、效应对其进行了精密测量. 在地球上观测太阳光在地球上观测太阳光,引力红移量约引力红移量约0.001nm,利用穆斯堡尔仪利用穆斯堡尔仪对它作精确测量的结果对它作精确测量的结果,与爱因斯坦广义相对论的预言一致与爱因斯坦广义相对论的预言一致.50第七章原子核物理概论三种衰变特性比较三种衰变特性比较衰变类型衰变类型本本 性性氦核氦核 4He电电 子子光光 子子半衰期半衰期T10-7s1016a10-2s106a10-17s60a衰变能衰变能ER (49)MeV(0.0110)MeV衰变机制衰变机制势垒贯穿势垒贯穿弱相互作用弱相互作用电磁相互作用电磁相互作用产物能量分布产物能量分布单单 能能衰变衰变:连续连续EC:单单 能能单单 能能
