核的放射性与衰变2

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,*,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,*,衰变是原子核自发地放射出,粒子而发生蜕变的过程。,粒子是氦原子核,4,He,2,。,1903,年发现,射线。,Rutherford,是研究和应用,射线的最重要人物。母核经,衰变放出一个,粒子，自身转变为电荷数比母核少,2,、质量数比母核少,4,的另一种子核。,衰变,衰变能,实验表明，在,衰变中，每一种母核都放出一种,或多种单一能量的,粒子，也就是说，,粒子的能谱总是分立谱。这是,衰变的一个重要特点,。这可用衰变能进行解释。衰变能：是研究衰变过程的重要物理量，定义为,原子核衰变时所释放出的能量。显然，这部分能量将转变为衰变生成的 所有粒子的动能。,当,静止的母核发,生,衰变时，按照能量守恒定律，应满足下面的关系：,式中,m,x,、,m,y,和,m,a,分别是母核、子核和,粒子的静质量，,k,a,是,粒子的动能，,k,r,是子核的反冲动能。,根据衰变能定义，,衰变能,E,d,就是,粒子的动能与子核的反冲动能之,和，即,衰变能够发生的条件是,E,d,0,，这表示，母核原子的质量必须大于子核原子与氦原子的质量之和，,衰变才能够发生。,如果母核在衰变前是静止的，根据动量守恒定律，子核反冲的动量必须等于,粒子的动量，即,式中,v,y,和,v,a,分别是子核和,粒子的运动速率。于是衰变能可表示为,k,a,是,粒子的动能，,A,是母核的质量数,根据上式，我们可由实验测得,粒子的动能,k,a,，,直接计算出衰变能,E,d,。因为,粒子质量较小，大部分动能都传给了它。,原子核内部能量也以能级的形式分布，当发生,衰变时，母核要从自身的某一能级跃迁到子核的某一能级，从而放出一部分能量并分给子核和,粒子作为它们的动能。显然，从母核到子核的转变所放出的这部分能量就是衰变能,E,d,，它必定等于母核与子核的相应能级之间的能量差，应该有确定值。,由 可看出，既然,E,d,有确定值，,粒子的,动能,k,a,只能取分立值。,例如，从,238,Pu,到,234,U,的衰变共发射出动能不同的五组,粒子，它们的动能分别为,5.498 mev,、,5.456 mev,、,5.357 mev,、,5.206 mev,和,5.007 mev,，依次是从,238,Pu,的基态到,234,U,的基态、第一激发态、第二激发态、第三激发态和第四激发态的衰变过程中发射出的。图中,粒子动能值后面的百分数表示该种,粒子所占的比例。由测得的各组,粒子的动能，可计算出相应的衰变能，从而可确定,234,U,最低的五个能级的能量,.,图中能级的能量值就是用这种方法确定的。实验观测的相邻能级之间,跃迁所发出的,射线能量与上面的计算结果一致。可见测量,衰变所,发射的,粒子的动能，是研究原子核能级结构的一种途径。,短射程、长射程,粒子与核能级的关系：,短射程,粒子是从母核的基态衰变到子核的激发态时所发射的,粒子。长射程,粒子是从母核的激发态衰变到子核的基态时所发射的,粒子。同一种核放出的,粒子能量是一定的。有的核放出单一能量的,射线，有的核放出几种不同能量的,射线。当它不只放出一种能量的,射线时，往往伴随有,射线放出。,衰变的实验规律,衰变能随原子序数,Z,和质量数,A,的变化根据结合能的半经验公式得到,对于处于,稳定线的原子核，利用稳定线的,A(Z),关系，可算出,E,d,随,A,的变化关系。对于,A150,的原子核，,E,d,才大于零，且,E,d,随,A,的增加而增大。,这就解释了为什么主要是重核才观察到,放射性。,衰变能随同位素的变化,衰变能和衰变常量的关系：同一元素的半衰期和衰变能的关系可写成经验公式,式中,a,、,b,或,A,、,B,对同一元素是常量，不同元素则不同。,衰变的量子理论：,粒子与原子核的相互作用,粒子在衰变前已在母核内形成，并自由地高速运动；由于隧道效应（由量子力学，微观粒子具有一定的概率能够穿透势垒，这种现象称为“隧道效应”），,粒子以一定几率穿过相互作用位垒发射出来。衰变几率：,nP=,n,：单位时间内,粒子碰撞势垒的次数；,P:,穿透几率,作用势：内部作用力很小，作用势近似为常数；表面有很强的吸引力，,作用势很快升高；核外只有库仑相互作用。,A,、,B,对同一元素可视为常量。这样，由,衰变理论得到的公式和对偶偶核得出的实验规律式完全一样。,讨论：,或,T,1/2,对,E,d,的依赖非常强烈（指数关系），显然,E,d,增大时，,增大，,T,1/2,减小。,或,T,1/2,对,R,的依赖也很强烈，,R,增大时，,增大，,T,1/2,减小。基本可认为,R,为核半径。则测出,后，可估计,R,。,质子及重离子放射性,质子衰变：对普通核素，最后一个质子的结合能总,是正的，即对放射质子是稳定的；但对丰质子核，最后一个质子的结合能有可能出现负值，因而可以自发地放射出质子。它与,衰变类似，具有一定的半衰期。所以，质子放射性也叫质子衰变。对有些原子核，只发射一个质子的能量条件并不满足，但从对能考虑，可同时放出两个质子。原子核同时自发发射两个质子的现象，称为双质子放射性。,对一般的双质子放射体，不是由于寿命过短，就是由于质子能量太低，或是由于其它竞争衰变的影响，迄今在实验上只发现一个事例，即,1995,年首次观测到,12,O,的基态双质子衰变。,重离子放射性：原子核自发地放射出重离子的现象，,称为重离子放射性。重离子是指比,粒子更重的离子。,自,1896,年贝克勒尔发现放射性直至,1984,年，人们一直只知道,、,、,和质子放射性。与,放射性相比，重离子在核内形成的概率很小。,1984,年英国科学家首先发现了,223,Ra,具有碳离子放射性，他们利用半导体探测器粒子鉴别技术在,189,天中观察到,223,Ra,发射的,11,个,14,C,粒子的计数。从此揭开了实验研究重离子放射性的新篇章。至今已发现许多核具有重离子放射性，如,234,U,可以发射,24,Ne,和,28,Mg,，,237,Np,可以发射,30,Mg,。实验测得的重离子衰变相对于,衰变的分支比很小，大多在,10,-9,至,10,-13,范围，有的甚至小于,10,-15,。,衰变和中微子假说,粒子是电子或正电子。一个原子核如果带有太多质子或中子，而其中的一个质子变成了中子，或一个中子变成了质子时，即发生了,衰变发生。,负衰变时，一个中子变成一个质子，一个电子和一个反中微子；,正衰变时，一个质子变成一个中子，一个正电子和一个中微子。,半衰期,:10,-2,s10,18,a,，发射出粒子的能量最大为几个,MeV,，在全部周期表的范围内都存在,放射性核素。,衰变发射出的轻粒子在衰变之前并不存在于原子核中，它们是,在衰变那一刻生成的。我们已知，一个隔离的质子，即一个氢核，不,论带不带电子，不发生衰变。然而在一个原子核里，,衰变过程可将一个质子变成一个中子。一个隔离的中子是不稳定的，而且将会以,10.5,分钟的半衰期衰变。原子核内的一个中子，如果能够使原子核生成一个更稳定的核，将会衰变；半衰期依同位素不同而异。原子核中的一个质子，如果能够使原子核生成一个更稳定的核，则可从原子捕获一个电子，和生成一个中子和一个中微子。,质子衰变、中子衰、电子捕获是质子中子互相转变的三种方法。在每种衰变中都发生了原子序数的改变，因此母原子和子原子是不同元素。在所有三个过程中，核子的,A,值保持不变，而质子数和中子数增加或减少,1,。原子核从核外的电子壳层中俘获一个轨道电子叫做轨道电子俘获。俘获,K,层电子，叫做,K,俘获；俘获,L,层电子，叫做,L,俘获；其余类推。由于,K,层电子最靠近原子核，因而一般,K,俘获的概率最大。,中微子的预言,能谱的特点,连续性：,衰变时放射出来的,射线，其强度随能量的变化为一连续分布。实验表明：,1,）,粒子的能量是连续分布的；,2,）有一确定的最大能量,E,m,；,3,）曲线有一极大值，即在某一能量处，强度最大。,衰变时，结合能转变为,粒子的质量能和动能、中微子的能量和子核反冲的动能。一个特定的衰变发出的,粒子的能量可能是某范围中的任意值，因为三种粒子可以多种方式分享能量，而仍然服从能量和动量守恒定律。,衰变与能量守恒定律的“矛盾”：实验上发现的,能谱是连续分布的，而且无数实验表明，最大能量,E,m,正好等于衰变能。如果是两体衰变,XY+,，由于,m,e,M,Y,时，才有可能发生,-,衰变。,即只有,M,X,-,M,Y,w,i,/c,2,时，才有可能第,i,层的轨道电子俘获。,轨道电子俘获过程所形成的子核原子，其内层电子缺少了一个。如,K,俘获情形，,K,层电子少了一个，子核原子处于不稳定的激发态，于是邻近的,L,层电子就会跳到,K,层来填充,K,层电子的空位，这样就会发射出特征,X,射线。,轨道电子俘获（通常用,EC,或,i,表示）,即只有,M,X,-,M,Y,2m,e,时，才有可能发生,+,衰变。,双,衰变原子核自发地放出两个电子或两个正电子，或发射一个正电子同时又俘获一个轨道电子，或俘获两个轨道电子的过程。双,衰变的实验测量可用来鉴别中微子有无正反之分，和中微子是否具有静止质量。,由于 ，能发生,+,衰变的原子核可发生轨道电子俘获。反之，能发生轨道电子俘获的原子核不一定能发生,+,衰变。这主要是由能量条件来决定的。原则上，当能量满足,+,衰变的条件时，轨道电子俘获和,+,衰变可同时有一定的概率发生。,当一个,L,电子跳到,K,层来填充空位时，也可不发射,X,射线，而把能量交给另一个,L,电子，于是这个,L,电子就可能会克服结合能而飞出，这种电子叫做俄歇电子。俄歇电子的动能为：,K,壳层靠近原子核，所以,K,俘获,几率最大；,K,俘获,与,Z,3,成正比，,Z,越大，,K,俘获,越容易发生。轻核,K,俘获,几率很小，中等核,EC,俘获,和,+,衰变同时存在，重核,EC,俘获,占优势。,衰变的费米理论 应用中微子假说，虽圆满解释了,衰变中的实验现象，但是电子存在于原子核内的问题仍然没有解决。再加上中微子质量很小，又不带电荷，一时很难证实它的存在，所以不少人怀疑这个假说的真实性。可是，费米不仅支持这个假说，而且在这个假说的基础上提出了弱相互作用的,衰变理论。费米的,衰变理论认为：从本质上说，,-,衰变是原子核内的一个中子转变为质子的过程，,+,衰变和电子俘获是原子核内的质子转变为中子的过程，而质子和中子是核子的两个不同的状态；中子与质子之间的转变相当于量子态之间的跃迁，电子和中微子就是在跃迁过程中释放出来的，它们并不存在于原子核内，正像在原子不同状态之间跃迁释放出,光子，而光子并不存在于原子内一样；光子是与电磁相互作用相联系的，而电子和中微子则是与一种新的相互作用相联系，这种新相互作用就是弱相互作用。,中微子是在泡利提出假说之后二十六年，才在实验中直接观察到的。费米的弱相互作用的,衰变理论自,1934,年提出至今，已经受了半个多世纪以来各方面实验的考验，被誉为物理学中最出色的理论之一。,基本思想：,衰变的本质：,n p,的量子态跃迁，在跃迁过程中，放出电子和中微子。电子,中微子场与原子核的相互作用是弱相互作用。,衰变概率公式：根据量子力学的微扰论，及库仑场的影响，,g,为弱相互作用常量，,M,if,称为跃迁矩阵元，,F(Z,，,E),是子核电荷数,Z,和,粒子能量,E,的函数。通常称它为费米函数，或叫库仑改正因子。对费米函数的计算，一般相当复杂，应用时有现成的函数表或图可查。,跃迁分类和选择定则：,假定发射出来的,粒子、中微子与子核间的作用很弱，则可近似把,粒子和中微子看作自由粒子，并以平面波来描写它们，,k,和,k,分别是,粒子和中微子的波矢量。,跃迁分类：级数的第一项（,l,0,）对跃迁概率的贡献最大，随,l,的增大而递减。当第一项（,l,0,）有贡献时，称为容许跃迁，此时，跃迁矩阵元,M,if,与轻子（即电子和中微子）的能量或动量无