原子核物理.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,原子核物理第三章 原子核衰变,华南理工大学电力学院,第1页,序言,放射性（不稳定）核素,自发地蜕变,，变为另一个核素，同时放出各种射线，该现象称为,放射性衰变,衰变：放出带两个正电荷氦核,衰变：,+,衰变、,-,衰变和电子俘获,衰变：放出波长很短电磁辐射,自发裂变：原子核自发裂变为两个或几个质量相近原子核,几个罕见衰变模式,第2页,内容,放射性衰变基本规律,衰变,衰变,衰变,穆斯堡尔效应,第3页,3.1 放射性衰变基本规律,原子核衰变规律,衰变常数,表征,一个,原子核在,单位时间,内发生衰变概率,放射性核素衰变其原有核数二分之一所需时间称为,半衰期,平均寿命,指放射性原子核平均生存时间,衰变常数、半衰期与平均寿命相互关联,第4页,3.1 放射性衰变基本规律,任何一个放射性核素发生衰变准确时刻是不可知，但对足够多核素衰变规律则是确定,平均寿命还可认为是放射性核素衰减为,原数量1/e,时对应时间,通常给出粒子寿命是指,粒子静止时寿命,，所以当粒子,高速运动,时必须,依据相对论,计算粒子运动时寿命，,此时粒子寿命将变长,衰变常数、半衰期和平均寿命是放射性核素,特征量,，,通常与外界条件无关,第5页,3.1 放射性衰变基本规律,放射性核素在,单位时间内发生衰变原子核数,为,放射性强度（活度）,，,它是决定放射性强弱物理量,放射性强度单位是居里Ci及贝克勒Bq,1Ci=3.7X10,10,次衰变/秒，1Bq=1次衰变/秒,放射性强度与放射性物质总量之比定义为,比放射性,，该值越大，放射性物质纯度越高,经过测量放射性强度取得物质衰变常数：作图法与间接法,第6页,3.1 放射性衰变基本规律,地壳中重天然放射性核素形成三个放射系,钍系，从,232,Th开始一直衰变到稳定核素,208,Pb，系中各放射性核素质量数均为4整数倍，该系最长母体半衰期为1.41X10,10,a,铀系，从,238,U开始一直衰变到稳定核素,206,Pb，系中各放射性核素质量数满足A=4n+2，该系最长母体半衰期为4.468X10,9,a,锕系，从,235,U开始一直衰变到稳定核素,207,Pb，系中各放射性核素质量数满足A=4n+3，该系最长母体半衰期为7.038X10,8,a,第7页,3.1 放射性衰变基本规律,镎系，在,人造放射性核素,中取得，从,241,Pu开始衰变到稳定核素,209,Bi，系中各放射性核素质量数满足A=4n+1，该系最长母体半衰期为2.14X10,6,a,上述放射系中衰变主要经过衰变进行，极少一部分经过衰变，而且过程中伴随射线发射,第8页,3.1 放射性衰变基本规律,假设核素A帅变为核素B，而核素B又衰变为核素C，那么核素B衰变规律为,上式又称为级联衰变规律，它表明子体B衰变不但与本身相关，还与母体A衰变常数相关,当,A,B,时经过 时间后子体数量到达最大，当初间足够长后子母体数目到达暂时平衡,当,A,140）中才能观察到,第14页,3.2 衰变,对于同位素，其衰变衰变能改变1-2倍时，半衰期却有巨大改变,第15页,3.2 衰变,当rR时，粒子与子核间只剩下库伦作用，表现为相互排斥,第16页,3.2 衰变,将,作用势最高点定义为库伦势垒,，,依据经典力学理论能量低于势垒粒子不可能从核内射出，也不可能从核外射入,，利用原子核半径经验公式可得,依据上式对于,212,Po（钋）可得其势垒约为26Mev，而衰变衰变能仅为8.78Mev，按照经典力学理论此时粒子不可能逃逸出核内,按照量子力学观点，任何能量粒子均可能从核内逸出,第17页,3.2 衰变,经过一系列运算可得穿透概率P等于,因为衰变常数是一个粒子在单位时间内发生衰变概率，所以,它等于粒子一秒钟内碰撞势垒次数n与穿透概率P乘积,第18页,3.2 衰变,对于同一个元素A和B可视为常数，,元素发生改变时它们值都将改变,，因为衰变能出现在指数中，所以当其出现较小改变都会造成衰变常数较大改变,实际上试验给出改变规律也确实如此（,盖革-努塔耳定律,）,第19页,3.2 衰变,原子核能量最低状态称为基态，能量高于基态称为激发态，,处于激发态原子核是不稳定,，普通要放出射线退激到基态，或先退到较低激发态再退到基态,母核发生,衰变通常放出好几组粒子,，,当母核直接衰变至子核基态时所放出粒子动能较大，对应衰变能也较大,那些能量较低粒子称为,短射程粒子,，,它是母核衰变至子核激发态所发射粒子,第20页,3.2 衰变,第21页,3.2 衰变,母体向子体不一样能级衰变分支比R,i,定义为衰变分强度，分支比满足 R,i,=1，所以总衰变强度等于各分强度之和,第22页,3.2 衰变,假如母核本身是衰变产物，那么,既可能处于基态又可能处于激发态,，从而处于激发态母核能够经过发射射线退回基态再进行衰变，或者直接进行衰变，,后者所发射粒子含有很大能量，称为长射程粒子，激发能越高，粒子能量就越大,对普通原子核，,从激发态发射射线概率要大得多,，只有,212,Po和,214,Po有长射程粒子,第23页,3.3 衰变,粒子是电子和正电子统称，电子和正电子质量相同，电荷大小也相等但符号相反,放出电子衰变称为,-,衰变,放出正电子衰变称为,+,衰变,原子核从核外电子壳层俘获一个轨道电子叫做轨道电子俘获，俘获K，L层电子叫做K，L俘获等，因为K层电子靠近原子核所以K俘获概率最大,衰变发出能量大约为几个Mev，,范围包括周期表中全部放射性核素,第24页,3.3 衰变,试验测量结果表明,衰变能量是连续分布并有一确定最大能量，而且最大能量等于衰变能,原子核是一个量子体系，含有能量是分立，而,核衰变则是不一样原子核能态之间跃迁,，由此释放能量也必定是分立，衰变即是如此，但为何衰变却含有连续能量谱？泡利,中微子假设,原子核在衰变中不但放出粒子，还放出一个,不带电,中性粒子，它,质量小近似为零,，称为,中微子,，用符号表示,第25页,3.3 衰变,中微子自旋为1/2，遵从费米统计，它磁矩近似为零,依据中微子假设，衰变中动量和能量将在反冲核、电子与中微子三者中进行分配，从而使电子能量能够连续改变而不违反守恒定律,因为电子和中微子质量远小于反冲核，所以反冲核速度近似为零，即衰变能主要在电子和中微子中进行分配，当中微子能量为零时，电子能量最大并等于衰变能,试验证实了中微子存在,第26页,3.3 衰变,-,衰变普通形式：,-,衰变本质是核内一个中子转变成质子,-,衰变结合能等于,忽略电子结合能，采取原子质量代入可得,所以发生,-,衰变条件为,母核原子质量大于子核原子质量,第27页,3.3 衰变,+,衰变普通形式：,+,衰变本质是核内一个质子转变成中子,+,衰变结合能等于,忽略电子结合能，采取原子质量代入可得,所以发生,+,衰变条件为,母核原子质量比子核原子质量大2个电子质量,第28页,3.3 衰变,轨道电子俘获普通形式为：,轨道电子俘获本质是核内质子俘获电子转变成中子,轨道电子被俘获必须克服电子在原子中结合能B,i,，i表示K，L，M等层，所以衰变能等于,所以发生第i层轨道电子俘获条件为母核原子质量与子核原子质量之差大于,子核,原子第i层电子结合能对应质量，即,第29页,3.3 衰变,因为K层电子最靠近原子核，故K层俘获几率最大，但当 时，显然K层俘获不能发生，而L层俘获则能发生，如,202,Pb和,205,Pb,轨道电子俘获所形成子核原子，它内层电子缺乏了一个，即产生了一个空穴，如K层俘获将使K层产生一个空穴，从而子核原子处于不稳定激发态，造成L层电子跳到K层来填充该空穴并发出,特征X射线,，这一射线能量为两层电子结合能之差,第30页,3.3 衰变,轨道电子俘获另一个伴随粒子是,俄歇电子,，以K层俘获为例，当一个L层电子跳到K层来填充空穴时也可不发射X射线，而是把能量交给L层另一个电子，于是这个得到能量电子将会克服L层结合能飞出子核原子，俄歇电子动能为,因为 ，所以能发生,+,衰变原子核能够发生轨道电子俘获，反之则不一定。,通常当能量条件满足,+,衰变时，二者可有一定概率同时发生，但较多是只能观察到一个，而另一个概率则小到可忽略,第31页,3.3 衰变,衰变费米理论：,粒子是核子不一样状态之间跃迁产物，事先并不存在于核子内,，就如同原子发光情形，光子是原子不一样状态之间跃迁产物，事先也并不存在于原子内部一样,衰变是电子-中微子场与原子核相互作用，这是一个,弱相互作用,，作用结果是使核子不一样状态之间引发跃迁，发射电子及中微子,第32页,3.3 衰变,依据费米衰变理论，衰变常数与跃迁矩阵元平方成正比，而跃迁矩阵元可表示为,其中平面波函数可最终化简为,式中l相当于两轻子轨道角动量，与初末态核自旋亲密相关，,l越大项对矩阵元贡献越小,，l=0项有贡献时称此时衰变为允许跃迁，若l=0项无贡献，l=1项有贡献则称为一级禁戒跃迁，以这类推为二级等禁戒跃迁，,显然级别越高，半衰期越长,不一样核素衰变半衰期差异很大,第33页,3.3 衰变,选择定则指,原子核自旋和宇称改变与跃迁类型关系,依据角动量守恒可得跃迁前后角动量改变关系为,因为电子与中微子自旋都是1/2，故s只有0和1两个取值，而当轨道角动量为l时，它可取2l+1个值，而原子核宇称改变可认为是轻子带走轨道宇称，即=,i,f,=（-1）,l,，,注意衰变是弱相互作用，不满足宇称守恒定律,综合总自旋与轨道角动量方向考虑可知对于允许跃迁，I=1,0,-1，=+1,第34页,3.3 衰变,对于一级禁戒跃迁，依据上述分析可知I=2,1,0,-1,-2，=-1,因为后级禁戒跃迁是在前级跃迁不存在时才发生，故对n级禁戒跃迁选择定则是（注意宇称改变要相同），通常高于四级禁戒跃迁极难观察,第35页,3.4 衰变,当原子核发生和衰变时往往衰变到子核激发态，而此时子核是不稳定，将向低激发态跃迁，同时放出光子，这种现象称为,跃迁或衰变,如,60,Co（钴）向,60,Ni（镍）衰变将放出2个光子退激到子核基态,核内能级之间跃迁与原子内能级之间跃迁一样都可放出光子，但,前者能量高于后者,第36页,3.4 衰变,由,两个电量相等但符号相反电荷组成系统称为偶极子,，它们之间产生辐射称为,偶极辐射,，类似地，由两个偶极子组成系统称为,四极子,，产生辐射称为,四极辐射,，由两个四极子组成系统称为,八极子,，产生辐射称为,八极辐射,第37页,3.4 衰变,跃迁,包含电多极跃迁和磁多极跃迁，前者主要来自核中电荷分布贡献，后者主要来自核中电荷运动造成电流以及核子磁矩贡献,，而各自跃迁几率为,式中E,r,为光子能量，L为光子角动量，L=1为偶极辐射，L=2为四极辐射等，R为核半径,第38页,3.4 衰变,利用原子核半经验公式（R=1.2A,1/3,）可得同一极次下电跃迁与磁跃迁概率之比为,即,原子核质量数越大，衰变中电跃迁将越快于磁跃迁,，而对不一样极次下同类型跃迁概率之比等于,可见,衰变中低极次跃迁含有更加快速度，依据当代理论有,E,（L+1）,M,（L）,第39页,3.4 衰变,依据角动量守恒关系，衰变前后核总角动量改变量等于发射光子角动量，,这一定则与衰变相同，但必须注意光子总角动量总是大于或等于1,依据宇称守恒定律=,=,i,/,f,，核态宇称改变也由发射光子所决定，对于,电跃迁=（-1）,l,，对于,磁跃迁=（-1）,l+1,依据已知核态自旋及宇称，并结合试验测量到跃迁类型则可确定一些情况下核末态自旋及宇称,第40页,3.4 衰变,在一些情况下，原子核从激发态向低能级跃迁时不一定放出光子，,而是把这部分能量直接交给核外电子，使电子离开原子,，这种现象称,内转换（IC），释放电子称为内转换电子,，释放电子能量为,内转换电子,能谱是分立,，,通常重核低激发态发生跃迁时，发生内转换几率较大,，采取,内转换系数,即内转换电子与光子数之比来衡量几率大小,第41页,3.4 衰变,内转换系数,近似正比于质子数Z立方，反比于内转换电子所在壳层量子数n立方,，所以重核比较大，而且越靠近原子核电子壳层产生内转换电子概率也越大,通常原子核激发态寿命都很短，约10,-14,s，但,有一些激发态处于亚稳态，寿命较长，这种核素称为同质异能素，普通要求寿命大于0.1s,同质异能素在核素符号左上角质量数旁加字母m表示，,它本质是寿命较长处于激发态核素,，同质异能素发生跃迁称为,同质异能跃迁（IT），,它也能够直接发生或衰变,第42页,3.4 衰变,核素同质异能态与基态角动量之差较大，而能量之差则较小，这表明发生,同质异能跃迁时释放光子总角动量较大而能量较小,衰变几率随光子角动量增加及能量减小而下降，从而同质异能跃迁几率较小，造成其寿命较长,第43页,3.5 穆斯堡尔效应,通常认为各种原子核状态能量含有完全确定值，实际上却并非如此；因为原子核激发态都有一定寿命，依据测不准原理，,原子核激发态能量是不确定，即含有一定能量宽度，宽度与寿命成反比,那么当发生衰变跃迁时对应衰变机率为 所以,经过测量射线宽度可取得能量宽度及衰变几率,因为射线自然宽度很小，给直接测量带来了相当大困难，为此惯用,共振吸收法,进行测量,激发态不稳定，无法直接测量能量宽度,第44页,3.5 穆斯堡尔效应,通常认为当入射射线能量等于原子核能态跃迁能量之差时，射线共振吸收将发生，但对于放出射线原子核将释放反冲能，故,出射射线能量为E,e,=E,0,-E,R,，对于吸收射线原子核一样存在反冲能，故发生共振吸收则要使,入射射线能量为E,a,=E,0,+E,R,因为,出射射线能量与入射射线能量存在2E,R,差异,，所以射线共振吸收一直难以被观察,当,发射谱与吸收谱出现重合,，此时能量E同时有出射和入射光子，才能出现共振吸收,第45页,3.5 穆斯堡尔效应,通常当E,R,时即能级宽度远小于反冲能时则无法观察到共振吸收,所以在试验中观察到共振吸收前提是有效地赔偿反冲能，使之满足,E,a,-E,e,=2E,R,一个是使发射器与接收器之间含有一定相对运动，另一个则是是发射核与接收核之间含有一定温度差,第46页,3.5 穆斯堡尔效应,原子核反冲能E,R,=E,0,/2mc,2,，所以质量越大反冲能越小，故,将原子放入晶体中并将其固定,，当光子被吸收时整个晶体将遭受反冲，因为晶体质量非常大所以反冲能近似为零，整个过程可视作无反冲过程，这一效应称作,穆斯堡尔效应,，也叫,无反冲共振吸收,多普勒效应：当发射源与接收器有相对运动时，接收器接收得射线能量不等于放射源放出能量,第47页,3.5 穆斯堡尔效应,放射源,191,Os放在转盘上，经过准直孔射线透过吸收片,191,Ir后被闪烁计数器D统计,当转盘速度v=0时，共振吸收最强，计数器D读数最小，调整v将得到一系列读数,第48页,3.5 穆斯堡尔效应,该曲线是无反冲吸收下作出，故,与吸收或发射谱重合,v=0时对应无反冲吸收，两谱线重合，吸收最强,v0时相当于使吸收谱与发射谱存在能量差，能量差越大，吸收越小,发生谱或吸,收谱上光子,数降低就,是因为能量,偏离最大能,量所致,E可经过v计算，作出它与衰减率,曲线即可从图中取得，为衰,变强度-0.5时对应能量宽度，,=4.6X10,-6,ev,第49页,3.5 穆斯堡尔效应,谱线红移：在较弱重力场处观察从较强重力场处发射谱线所得频率比在重力场相同两点测得要低，即向长波方向移动,1960年，庞德和里布卡利用,57,Co作放射源，,57,Fe做吸收体，应用穆斯堡尔效应成功地进行了验证,穆斯堡尔效应还能够用来测量核超精细分裂,h=20m,第50页,3.5 穆斯堡尔效应,穆斯堡尔效应作用在于极大提升了能量分辨率，它对工作物质有一定要求，理论表明无反冲发射光子分数等于（T）,惯用核素有,57,Fe，,119,Sn，,151,Eu等,第51页,