核物理基础与辐射防护精选课件.ppt

关于核物理基础与辐射防护2009-05-301第一页，本课件共有69页2009-05-302 18961896年年，Becquerel（获获1903年年诺诺贝贝尔尔物物理奖）理奖）在铀矿物中发现在铀矿物中发现射线射线。分别叫做分别叫做、射线。射线。1 1、射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小；射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小；2 2、射线是高速电子流射线是高速电子流，带负电，贯穿本领较大；，带负电，贯穿本领较大；3 3、射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大。在磁场中发现，射线有三种成份：在磁场中发现，射线有三种成份：一种在磁场中一种在磁场中偏转偏转，与带，与带正电荷正电荷离子流相同；离子流相同；一种在磁场中一种在磁场中偏转偏转，与带，与带负电荷负电荷离子流相同；离子流相同；一种在磁场中一种在磁场中不偏转不偏转。(18521908)第二页，本课件共有69页2009-05-303、辐射的穿透能力辐射的穿透能力第三页，本课件共有69页2009-05-304 放射性现象与原子核的衰变密切相关。放射性现象与原子核的衰变密切相关。原原子子核核的的衰衰变变：在在没没有有外外界界影影响响的的情情况况下下，原原子子核核自自发地发射粒子并发生改变的现象。发地发射粒子并发生改变的现象。能能自发地自发地发射各种射线的核素称为发射各种射线的核素称为放射性核素放射性核素，也称为，也称为不稳定核素不稳定核素。放射性现象放射性现象是由是由原子核的变化原子核的变化引起的，与核外电子状态引起的，与核外电子状态的改变关系很小。的改变关系很小。原子核原子核自发地自发地发射发射各种射线各种射线的现象，称为的现象，称为放射性放射性。第四页，本课件共有69页2009-05-305原子核衰变的主要方式原子核衰变的主要方式 衰变衰变 衰变衰变(包括包括 衰变、衰变、衰变和电子俘获衰变和电子俘获EC)衰变衰变(或或 跃迁跃迁)(包括内转换包括内转换IC)中子发射、质子发射、重核的自发裂变等中子发射、质子发射、重核的自发裂变等第五页，本课件共有69页2009-05-3062.1 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律A、放射源中的原子核、放射源中的原子核数目巨大数目巨大。B、放射性原子核是、放射性原子核是全同的全同的。C、放射性衰变是一个、放射性衰变是一个统计过程统计过程。不不能能预预测测某某一一原原子子核核的的衰衰变变时时刻刻，但但可可以以统统计计得得到到放放射射源源中中总总的的放放射射性性原原子子核核数数目目的的减减少少规规律律；具具体体到到每每个个放放射射性性原原子子核核的的衰衰变变来来说说，就就是是服服从从一一定定规规律律进进行行衰衰变变的的一一个个随随机事件机事件，可以用，可以用衰变概率衰变概率表示。表示。第六页，本课件共有69页2009-05-3071 1、放射性的、放射性的指数衰减规律指数衰减规律由统计性，以放射源由统计性，以放射源总体总体考虑衰减规律：考虑衰减规律：设：设：t 时刻放射性原子核的数目为时刻放射性原子核的数目为N(t)，求解求解t t+dt 内发生的核衰变数目内发生的核衰变数目-dN(t)，它应该它应该正比于正比于N(t)和时间间隔和时间间隔dt，于是有：于是有：第七页，本课件共有69页2009-05-308(1)(1)、衰变常数、衰变常数分子表示：分子表示：t 时刻时刻单位时间内单位时间内发发生衰变的核数目生衰变的核数目，称为，称为衰变率衰变率，记作记作t 时刻放射性原子核时刻放射性原子核总数总数总数总数衰变常数衰变常数：一个一个原子核在原子核在单位时间内单位时间内发生发生衰变衰变的的概率概率。2 2、放射性核素的、放射性核素的特征量特征量量纲为：量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a 衰变率：衰变率：第八页，本课件共有69页2009-05-309(2)(2)、半衰期、半衰期 T T1/21/2放射性核数放射性核数衰变一半衰变一半所需的所需的时间时间，记为，记为T1/2。即：即：量纲为：量纲为：t,如s，h，d，a第九页，本课件共有69页2009-05-3010(3)(3)、平均寿命、平均寿命 ：平均寿命平均寿命 总寿命总寿命 /总核数总核数在在 tt+dt 时间内时间内衰变的原子核数衰变的原子核数为：为：这些核这些核的的寿命寿命均为均为 t，它们的总寿命为它们的总寿命为：而而 t 可能的可能的取值取值为为：0，所以所以所有核所有核的的总寿命总寿命为：为：因此，因此，平均寿命平均寿命：第十页，本课件共有69页2009-05-3011(1)、放射性、放射性活度活度(Activity)即：即：定义：定义：则：则：活度定义：活度定义：单位时间单位时间内内发生衰变发生衰变的的原子核数原子核数。以。以A表示，表示，表征表征放射源放射源的的强弱强弱。3 3、放射性、放射性活度活度及其单位及其单位 放放射射源源发发出出放放射射性性粒粒子子的的多多少少，不不仅仅与与核核衰衰变变数数有有关关，而而且且和和核核衰衰变变的的具具体体情情况况直直接接相相关关。一一般般情情况况，核核率率变变数数不等于不等于发出粒子数发出粒子数。射线强度射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。：单位时间内放出某种射线的个数。第十一页，本课件共有69页2009-05-3012(2)、活度活度单位单位常用单位常用单位居里居里(Ci)：法定计量单位为法定计量单位为贝可贝可贝可贝可(Bq)：较小的单位还有较小的单位还有毫居毫居(mCi)和和微居微居(Ci)第十二页，本课件共有69页2009-05-3013(3)、活度单位活度单位与其他几个单位的比较与其他几个单位的比较活度单位活度单位其他单位其他单位单位单位居里居里(Ci)贝可贝可(Bq)伦琴伦琴(R)拉德拉德(rad)戈瑞戈瑞(Gr)定义定义放射性物质放射性物质1s发生发生3.71010次次核衰变为核衰变为1 1 Ci放射性物放射性物质质1s内发内发生生1次核次核衰变为衰变为 1 Bq使使1kg空气空气中产生中产生2.5810-4 C的电量的辐的电量的辐射量射量1g受照射受照射物质吸收物质吸收10-5 J的辐的辐射能量为射能量为1rad1 kg受照受照射物质吸射物质吸收收1 J的辐的辐射能量为射能量为1 Gr物理物理意义意义反映放射性的强弱反映放射性的强弱由放射性物质由放射性物质本身本身决定。决定。反映放射性物质产生的射线对反映放射性物质产生的射线对其他物质产生的效应大小的量其他物质产生的效应大小的量不仅不仅取决于放射性物质的取决于放射性物质的强弱强弱，还还取决于放射性的取决于放射性的特性特性，以及以及接受射线的接受射线的材料的性质材料的性质。第十三页，本课件共有69页2009-05-3014(4)、比活度、比活度(Specific Activity)定义为：定义为：单位质量单位质量放射源的放射性放射源的放射性活度活度。比活度比活度反映了放射源中反映了放射源中放射性物质放射性物质的的纯度。纯度。即：即：单位为：单位为：Bq/g 或或 Ci/g第十四页，本课件共有69页2009-05-30154、递次衰变规律递次衰变规律 许许多多放放射射性性核核素素并并非非一一次次衰衰变变就就达达到到稳稳定定，而而是是它它们们的的子子核核仍仍有有放放射射性性，会会接接着着衰衰变变 直直到到衰衰变变的的子子核核为为稳稳定定核核素素为为止止，这样就产生了这样就产生了多代连续放射性衰变多代连续放射性衰变，称之为，称之为递次衰变递次衰变或或级联衰变级联衰变。设初始条件为：设初始条件为：各衰变常数为：各衰变常数为：可以求出第可以求出第 n 个核素个核素随随时间时间的的变化规律变化规律：其中，系数其中，系数为：为：第十五页，本课件共有69页2009-05-3016放射性平衡放射性平衡(1)(1)、暂时平衡、暂时平衡 母体母体A的的半衰期半衰期不是很长不是很长，但，但比比子体子体B的的半衰期半衰期长长，即，即或或时，时，则则在在观观察察时时间间内内可可看看出出母母体体 A 放放射射性性的的变变化化，以以及及子子体体 B 的的核核数数目目在在时时间间足足够够长长之之后后，将将和和母母体体的的核核数数目目建建立立一一固固定定的的比比例例，此此时时子子体体 B 的的变变化化将将按按母母体体的的半半衰衰期期衰衰减减。这这时时建建立立的的平平衡衡叫叫暂暂暂暂时平衡时平衡时平衡时平衡。对于对于多代多代连续放射性衰变：连续放射性衰变：只只要要母母体体A1的的衰衰变变常常数数 1 最最小小，就就会会建建立立起起按按A1的的半半衰衰期期进进行行衰衰变变的的暂时平衡体系暂时平衡体系。建建立立平平衡衡之之后后，各各代代放放射射体体的的数数量量及及活活度度之之比比不不随随时时间间变变化化，且且均各代按均各代按 1 进行衰变。进行衰变。第十六页，本课件共有69页2009-05-3017(2)(2)、长期平衡、长期平衡 当当母体母体A的的半衰期半衰期较长较长，且比且比子体子体B的的半衰期半衰期长得多时长得多时，即，即或或 则则在在观观察察时时间间（远远小小于于母母体体A的的半半衰衰期期）内内，看看不不出出母母体体A放放射射性性的的变变化化；在在相相当当长长时时间间以以后后，子子体体 B 的的核核数数目目和和放放射射性性活活度度达达到到饱饱和和，并并且且子子母母体体的的放放射射性性活活度度相相等等。这时建立的平衡叫这时建立的平衡叫长期平衡长期平衡。对于对于多代多代连续放射性衰变：连续放射性衰变：只要只要母体母体 A1 的衰变常数的衰变常数 1 足够小（且最小）足够小（且最小），就会建，就会建立起按立起按A1的半衰期的半衰期进行衰变的进行衰变的长期平衡体系。长期平衡体系。各代放射体的数量各代放射体的数量之比之比不随时间变化不随时间变化；各代子体的；各代子体的放射放射性活度都性活度都等于等于母体的放射性活度母体的放射性活度，且均按，且均按 1 进行衰变。进行衰变。第十七页，本课件共有69页2009-05-3018(3)(3)、不成平衡、不成平衡逐代衰变逐代衰变当当母体母体A的的半衰期半衰期比比子体子体B的的半衰期半衰期短短时时，即，即或或 这这时时建建立立不不起起平平衡衡，母母体体A按按指指数数规规律律较较快快衰衰减减；而而子子体体B的的数数目目从从零零逐逐步步增增加加，过过极极大大值值后后较较慢慢衰衰减减，当当时时间间足足够够长长时时，子子体体B则则按按自自己己的的衰衰变变常常数数 2衰衰变变。这这种种情情况也称为况也称为逐代衰变逐代衰变。对于对于多代多代连续放射性衰变：连续放射性衰变：如果上代的核素如果上代的核素都都比下代的核比下代的核素衰变的快，即有素衰变的快，即有:那那么么，随随着着时时间间的的流流逝逝，将将会会形形成成逐逐代代衰衰变变现现象象。首首先先是是第第一一代代衰衰变变完完，接接着着第第二二代代，第第三三代代，逐逐代代衰衰变变完完。而且。而且各自按自己的衰变常数衰变各自按自己的衰变常数衰变。第十八页，本课件共有69页2009-05-3019小结：小结：经经过过足足够够长长时时间间之之后后，多多代代连连续续放放射射性性衰衰变变过过程程将将出出现现暂暂时时平平衡衡、长长期期平平衡衡或或逐逐代代衰衰变变等等现现象象。实实际往往三种交织在一起际往往三种交织在一起。母母核核衰衰变变比比子子核核衰衰变变快快的的，母母核核就就按按逐逐代代衰衰变变先先衰衰变变掉掉了了；如如果果这这个个子子核核比比下下一一代代子子核核衰衰变变慢慢，则则形形成成暂暂时时平平衡衡。暂暂时时平平衡衡体体系系总总要要衰衰变变掉掉，这这样样下下去去，总总会会出出现现半半衰衰期期最最长长的的核核素素形形成成长长期期平平衡衡。地地球球上上目目前前存存在在的的放放射射系系就就是是衰衰变变留留下下的的处处于于长长期期平平衡衡的多代连续衰变体系。的多代连续衰变体系。第十九页，本课件共有69页2009-05-3020放射系放射系 地地球球的的年年龄龄大大约约有有10亿亿年年。经经过过漫漫长长的的时时间间后后，还还能能保保存存下下来来的的天天然然放放射射系系，其其母母核核(或或衰衰变变链链中中的的子子核核)的的半半衰衰期期都都很很长长，要要和和地地球球年年龄龄相相近近或或更更长长，目目前前发发现现地地球球上上还还存在着存在着三个三个天然放射系，分别为：天然放射系，分别为：钍系钍系，铀系铀系 和和 锕系锕系第二十页，本课件共有69页2009-05-3021(1)(1)、钍系（、钍系（4n4n系）系）钍系从钍系从 开始，经过连续开始，经过连续10次衰变，最后到达稳定次衰变，最后到达稳定核素核素是是4的整数倍的整数倍的质量数的质量数子体中半衰期最长为子体中半衰期最长为5.75a，所以，所以钍系钍系建立起长期平衡建立起长期平衡需要几十年时间需要几十年时间。(2)(2)、铀系（、铀系（4n+24n+2系）系）铀系从铀系从 开始，经过连续开始，经过连续14次衰变，最后到达稳定次衰变，最后到达稳定核素核素是是4的整数倍的整数倍+2的质量数的质量数子体中半衰期最长为子体中半衰期最长为2.45105a，所以，所以铀系铀系建立起长期平衡建立起长期平衡需要几百万年时间需要几百万年时间。第二十一页，本课件共有69页2009-05-3022(3)(3)、锕系（、锕系（4n+34n+3系）系）锕系从锕系从 开始，经过连续开始，经过连续11次衰变，最后到达稳定次衰变，最后到达稳定核素核素是是4的整数倍的整数倍+3的质量数的质量数子体中半衰期最长为子体中半衰期最长为3.28104a，所以，所以锕系锕系建立起长期平建立起长期平衡需要几十万年时间衡需要几十万年时间。(4)(4)、（、（4n+14n+1系）镎系系）镎系是是4的整数倍的整数倍+1的质量数的质量数天然放射系中缺少天然放射系中缺少4n+1放射系，人工造成。放射系，人工造成。镎系从镎系从 开始，经过连续开始，经过连续11次衰变，最后到达稳次衰变，最后到达稳定核素定核素 。半衰期半衰期2.14106a比地球年龄小很多比地球年龄小很多第二十二页，本课件共有69页2009-05-30235、放射性规律的应用放射性规律的应用 放射性的应用很广泛，这里只讨论衰变规律本放射性的应用很广泛，这里只讨论衰变规律本身的应用例子。身的应用例子。(1)、放射源活度修正、放射源活度修正(2)、确定放射源活度和制备时间、确定放射源活度和制备时间(3)、确定放射源性质、确定放射源性质(4)、确定远期年代、确定远期年代(5)、短寿命核素发生器、短寿命核素发生器第二十三页，本课件共有69页2009-05-3024(1)、放射源活度修正、放射源活度修正 典型应用：典型应用：已知已知一个放射源一个放射源某时的活度某时的活度，求现在的活求现在的活度度。根据：根据：若若放放射射源源已已知知，则则 已已知知，根根据据已已知知条条件件 A(0)和和 t 可以求出现在或某时该源的可以求出现在或某时该源的活度活度。第二十四页，本课件共有69页2009-05-3025例例：单单一一放放射射性性核核素素137Cs ，19841984年年3 3月月9 9日日制制备备时时的的质质量量为为 W=2 105g。已已知知137Cs的的原原子子量量 A=136.907，半半衰期衰期T1/2=30.17年年。请计算该源请计算该源2020年后年后的放射性活度。的放射性活度。先来计算先来计算19841984年源年源制备时的制备时的137Cs核数核数，解：解：根据：根据：第二十五页，本课件共有69页2009-05-30261984年年137Cs源的源的放射性活度放射性活度：20年后年后137Cs源的源的放射性活度放射性活度：137Cs的的衰变常数衰变常数：137Cs源经过源经过20年，其放射性活度减弱为原来的年，其放射性活度减弱为原来的63。第二十六页，本课件共有69页2009-05-3027(2)、确定放射源活度和制备时间、确定放射源活度和制备时间 典典型型应应用用：在在人人工工制制备备放放射射源源时时，确确定定制制备备的的源源的的活活度度和和最佳制备时间最佳制备时间。地球上的地球上的1600多种放射性核素大部分是人工制造的，如：多种放射性核素大部分是人工制造的，如：核燃料核燃料239Pu，强中子物质，强中子物质252Cf等。等。反应堆制备反应堆制备(丰中子核素丰中子核素)：强中子流照射靶核，靶核俘获中子生成放射性核；强中子流照射靶核，靶核俘获中子生成放射性核；反应堆中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。反应堆中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。加速器制备加速器制备(缺中子核素缺中子核素)：主要通过带电粒子核反应获得反应生成核。主要通过带电粒子核反应获得反应生成核。第二十七页，本课件共有69页2009-05-3028 若若在在人人工工制制备备放放射射源源时时，带带电电粒粒子子束束或或中中子子束束的的强强度度是是一一定定的的，则则放放射射性性核核素素的的产产生生率率P也也是是恒恒定定的的，而而源源在在制制备备过程中过程中同时又在衰变同时又在衰变。因此放射性核素的变化率为因此放射性核素的变化率为:利用初始条件利用初始条件t=0时时，N(t)=0，解方程得：，解方程得：第二十八页，本课件共有69页2009-05-3029 若若要要 A(t)达达到到 P 的的99，则则需需要要时时间间为为t=6.65 T1/2。则则活度活度为：为：定义：定义：饱和因子饱和因子S，人工放射性生长曲线人工放射性生长曲线人工放射性活度随时间的变化人工放射性活度随时间的变化 ：t/T1/20.5123456A/P0.2930.5000.7500.8750.9380.9690.985第二十九页，本课件共有69页2009-05-3030(3)、确定放射源性质、确定放射源性质 典典型型应应用用：在在人人工工制制备备放放射射源源时时，确确定定其其组组成成是是很很重重要的，因这和其放射性要的，因这和其放射性活度活度及及辐射的粒子辐射的粒子密切相关。密切相关。这个过程会达到这个过程会达到长期平衡长期平衡，平衡后，原，平衡后，原纯纯90Sr源源，变为变为90Sr和和90Y共存的源共存的源，并以母核的半衰期衰变。这时源活，并以母核的半衰期衰变。这时源活度是纯度是纯90Sr源的源的两倍两倍，发射的粒子能量也有了变化，发射的粒子能量也有了变化。由于：由于：例如要制备例如要制备 放射源，放射源，第三十页，本课件共有69页2009-05-3031(4)、放射性鉴年法、放射性鉴年法确定远期年代确定远期年代(1)、14C断代年代法断代年代法14C:具有具有 放射性，半衰期放射性，半衰期 5730 年。主要用于考古学中年。主要用于考古学中的年代测定。的年代测定。14C从哪来的？从哪来的？大气中：大气中：活生物体内的活生物体内的12C与与14C含量之比与大气中相当。含量之比与大气中相当。宇宙射线与大气层中核发生宇宙射线与大气层中核发生反应，产生反应，产生中子中子。第三十一页，本课件共有69页2009-05-3032可以算得：可以算得：1g有生命机体有生命机体的的C中含中含14C约约6 1010个，个，每分钟每分钟发生衰变发生衰变的的14C约约1414个。个。当当生命结束后生命结束后，生物体，生物体停止与大气停止与大气的的C交换交换。其体内。其体内14C不断衰变，数目不断减少不断衰变，数目不断减少。而其体内而其体内12C的数目保持不变的数目保持不变。通过测量：通过测量：1 1、14C的的 放射性活度，放射性活度，2 2、测量测量14C核素数目，核素数目，都可以测定生物体死亡距今的年代。都可以测定生物体死亡距今的年代。加速器质谱加速器质谱(AMS)(AMS)方法可以直接测量核素的数目。方法可以直接测量核素的数目。断代方法：断代方法：将将古代样品含量比古代样品含量比与与现代参考样品含量比现代参考样品含量比比较，比较，可以确定生物体可以确定生物体死亡距今的死亡距今的时间时间 t t ：第三十二页，本课件共有69页2009-05-3033(2)、地质放射性鉴年法、地质放射性鉴年法利用长寿命核素的衰变利用长寿命核素的衰变 早期利用早期利用铀系铀系、锕系锕系等等放射系放射系，母体半衰期与地球，母体半衰期与地球年龄相当；后来发展利用年龄相当；后来发展利用40K、87Rb等长寿命核素。等长寿命核素。设：设：岩石生成时刻岩石生成时刻t0，母核数母核数Np(t0)，子核数，子核数Nd(t0)=0 测量时刻测量时刻t1，母核数，母核数Np(t1)，子核数，子核数Nd(t1)(稳定)第三十三页，本课件共有69页2009-05-3034由方程解得：由方程解得：由由母核衰变常数母核衰变常数、t1时刻时刻子核母核数之比子核母核数之比，就可求出就可求出样品年代样品年代。令第三十四页，本课件共有69页2009-05-3035(5)、短寿命核素发生器、短寿命核素发生器 核核医医学学、放放射射医医学学等等需需要要短短寿寿命命的的放放射射性性核核素素，如如99mTc(T1/2=6.02h)、113mIn(T1/2=104m)等。等。问题是：问题是：如何将生产的这些短寿命放射性核素运输如何将生产的这些短寿命放射性核素运输到医院等需要使用它们的地方？到医院等需要使用它们的地方？“母牛母牛”：利用连续衰变系列。：利用连续衰变系列。母母牛牛原原理理：寿寿命命较较长长的的核核素素不不断断产产生生短短寿寿命命子子体体，需需要要时时，将将子子体体分分离离出出来来，而而母母体体继继续续不不断断衰衰变变生生长长出出子体。子体。第三十五页，本课件共有69页2009-05-3036例如：例如：“母牛母牛”。由于由于T1/2(99Mo)T1/2(99mTc)，体系可建立，体系可建立暂时平衡暂时平衡。当当 t=tm 时，子核放射性活度最大，时，子核放射性活度最大，第三十六页，本课件共有69页2009-05-30372.2 2.2 衰变衰变 衰变衰变衰变衰变：不稳定核：不稳定核自发地自发地放出放出 粒子而蜕变的过程粒子而蜕变的过程.放射性核素放射性核素一般为重核，质量数一般为重核，质量数140 衰变放出的衰变放出的 粒子能量在粒子能量在49 MeV范围范围 衰变半衰期衰变半衰期范围很宽，范围很宽，10-7s1015a 衰变衰变基本特点基本特点：第三十七页，本课件共有69页2009-05-30381 1、衰变能衰变能及及 衰变发生的条件衰变发生的条件2 2、衰变过程中衰变过程中 粒子的动能粒子的动能3 3、衰变能衰变能与与核能级核能级的关系的关系4 4、衰变能衰变能与与衰变常数衰变常数的关系的关系第三十八页，本课件共有69页2009-05-3039母核母核X X 衰变为衰变为 子核子核Y Y 和和 一个一个 粒子粒子.1、衰变能衰变能及及 衰变发生的条件衰变发生的条件BeforeParent衰变前，母核衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：静止，根据能量守恒定律：AfterDaughterTY T衰变前衰变前静止质量静止质量衰变后衰变后静止质量静止质量衰变后衰变后动能动能第三十九页，本课件共有69页2009-05-3040定义定义：衰变能衰变能E0 为为 子核子核Y 和和 粒子的动能之和，也就是粒子的动能之和，也就是衰变前后静止质量之差衰变前后静止质量之差即：衰变前后静止质量的衰变前后静止质量的质量亏损质量亏损以原子质量以原子质量M M代替核质量代替核质量m m，并忽略电子结合能，并忽略电子结合能 有或第四十页，本课件共有69页2009-05-3041 衰变衰变发生的条件发生的条件：衰衰变变前前母母核核原原子子质质量量必必须须大大于于衰衰变变后后子子核核原原子子质质量量和和氦原子质量氦原子质量之之和和。第四十一页，本课件共有69页2009-05-3042例如例如，原子质量分别为原子质量分别为：209.9829u，205.9745u，4.0026u。M0，E00，可以发生可以发生 衰变。衰变。又如又如，原子质量分别为：原子质量分别为：63.9298u，59.9338u，4.0026u。M0，E00，不可能发生不可能发生 衰变。衰变。第四十二页，本课件共有69页2009-05-3043利用利用质量亏损质量亏损 m的定义的定义：衰变能衰变能还还可用可用质量亏损质量亏损 m表示表示 假设结合能随假设结合能随(Z,A)的变化是平滑的的变化是平滑的 代入代入结合能半经验公式结合能半经验公式，可，可得到得到 衰变能随衰变能随(Z,A)的变化的变化关系关系E0(Z,A)稳定线上原子核的稳定线上原子核的 衰变能随衰变能随A的变化曲线的变化曲线 第四十三页，本课件共有69页2009-05-30442、衰变过程中衰变过程中 粒子的动能粒子的动能衰变前，母核衰变前，母核X静止静止，根据，根据能量守恒定律能量守恒定律：Before AfterParentDaughterTYT衰变前，母核衰变前，母核X静止静止，根据，根据动量守恒定律动量守恒定律：第四十四页，本课件共有69页2009-05-3045那么：那么：所以：所以：可以可以通过测量通过测量 粒子的能量粒子的能量得到得到 衰变能衰变能。第四十五页，本课件共有69页2009-05-30463、衰变能衰变能与与核能级核能级的关系的关系Parent DaughterTY1T1 DaughterTY2T2 DaughterTYnTn 单单一一能能级级衰衰变变的的母母核核的的不不同同 衰衰变变能能反反映映了了子子核核有有多多个个能能级级，且且能能级级能能量量可可以以由由 衰变能衰变能求出求出。第四十六页，本课件共有69页2009-05-30474、衰变能衰变能与与衰变常数衰变常数的关系的关系实验发现，实验发现，衰变能衰变能与与衰衰变常数变常数之间的经验关系：之间的经验关系：其中系数其中系数a、b或或A、B对对同一元素是常数。同一元素是常数。结论：结论：衰变常数衰变常数 随随 粒子能粒子能量剧烈变化。量剧烈变化。部部分分偶偶偶偶核核从从基基态态到到基基态态的的 衰衰变变半衰期与半衰期与 粒子能量的关系。粒子能量的关系。第四十七页，本课件共有69页2009-05-3048即使能量较低，但即使能量较低，但 粒子总有一定粒子总有一定概率概率P穿透势垒。穿透势垒。虽然动能虽然动能但根据但根据量子力学的势垒穿透理论量子力学的势垒穿透理论，“隧道效应隧道效应”5、衰变机制衰变机制在核内粒子受到核力吸引，在核外将受到库仑力的排斥。第四十八页，本课件共有69页2009-05-30492.3 2.3 衰变衰变衰变衰变：核电荷数改变核电荷数改变而而核子数不变核子数不变的的自发自发核衰变过程核衰变过程.衰变基本特点：衰变基本特点：放射性核素遍及整个元素周期表放射性核素遍及整个元素周期表 衰变发射衰变发射粒子能量在几十粒子能量在几十KeV几几 MeV 衰变半衰期衰变半衰期范围为，范围为，10-3s1024a 衰变主要包括衰变主要包括-衰变、衰变、+衰变和轨道电子俘获三种形衰变和轨道电子俘获三种形式式。第四十九页，本课件共有69页2009-05-30501 1、衰变与中微子理论衰变与中微子理论 谱是连续的谱是连续的20世纪世纪20年代末的年代末的物理学危机物理学危机.1、连续能谱连续能谱与与量子体量子体系系及及能量守恒定律能量守恒定律的的矛矛盾盾？2、既然核中无电子，、既然核中无电子，那么那么 衰变出的衰变出的电子从电子从哪里来哪里来？第五十页，本课件共有69页2009-05-3051难题难题1：如何解决如何解决连续能谱连续能谱与与量子体系量子体系的的矛盾矛盾？假设假设1：子核有很多能级，以至于母核到子核衰变的能：子核有很多能级，以至于母核到子核衰变的能谱连续？谱连续？要求相应要有连续的要求相应要有连续的 能谱，能谱，与实验矛盾与实验矛盾。假设假设2：发射单能：发射单能 粒子，随后与轨道电子作用损失能量？粒子，随后与轨道电子作用损失能量？要求相应所有电子总能量都等于最大能量要求相应所有电子总能量都等于最大能量，与实验矛盾与实验矛盾。第五十一页，本课件共有69页2009-05-3052Pauli 的假设的假设1930年年12月月4号号，在在一一封封信信中中,Pauli 暗暗示示 衰衰变变能能谱谱可可以以通通过过在在衰衰变变中中除除了了 粒粒子子，还还发发射射出出一一个个中中性性粒粒子子，该该粒粒子子自自旋旋为为1/21/2，质量很小质量很小，与其他物质与其他物质作用截面很小作用截面很小来解释来解释。他称这种粒子为他称这种粒子为 neutron.这个假设挽救了这个假设挽救了 能量能量能量能量、动量动量 和和角动量角动量守恒定律守恒定律。PauliPauli 直直到到1933年年才才正正式式宣宣布布他他的的 假假说说,这这时时 ChadwickChadwick 发发现现 neutron 已已经经一一年年了了，这这个个 neutron 和和 PauliPauli 当当时时预预言言的的有有很很大大不同不同.1934年年，Enrico Enrico FermiFermi 用用 PauliPauli的的假假说说 建建立立了了他他的的 衰衰变变的的量量子理论，并给子理论，并给 Pauli 假设的粒子命名为假设的粒子命名为 neutrino.随后几年证明随后几年证明，Fermi 理论是对理论是对 衰变衰变实验非常成功的解释实验非常成功的解释.第五十二页，本课件共有69页2009-05-3053新问题新问题新问题新问题是是Pauli预言的粒子存在吗预言的粒子存在吗？1956年，赖因斯和考恩发现反中微子。年，赖因斯和考恩发现反中微子。1952年，戴维斯在王淦昌的建议下发现中微子存在的间年，戴维斯在王淦昌的建议下发现中微子存在的间接证据。接证据。1968年，戴维斯发现中微子。年，戴维斯发现中微子。第五十三页，本课件共有69页2009-05-3054中微子基本性质：中微子基本性质：(1)电荷为电荷为零零。(2)自旋为自旋为1/2,遵从费米统计。(3)质量质量0,质量上限不超过7.3eV。(4)磁矩磁矩非常小非常小，上限不超过106N。(5)与与物物质质的的相相互互作作用用非非常常弱弱，属属弱弱相相互互作作用用，作作用用截截面面 10 43cm2，通通常常物物质质的的原原子子密密度度n 1022cm3，平平均均自自由由程程l为为：第五十四页，本课件共有69页2009-05-3055中微子中微子和和反中微子反中微子：互为反粒子，有相同的质量、电荷、自旋、磁矩。互为反粒子，有相同的质量、电荷、自旋、磁矩。差别：差别：1.1.自旋方向不同自旋方向不同；中微子自旋方向与运动方向相反，左旋粒子；中微子自旋方向与运动方向相反，左旋粒子；反中微子自旋方向与运动方向相同，右旋粒子。反中微子自旋方向与运动方向相同，右旋粒子。2.2.相互作用性质不同相互作用性质不同。第五十五页，本课件共有69页2009-05-3056难题难题2：解决解决 衰变中电子的来源问题？衰变中电子的来源问题？Fermi Fermi 的的的的 衰变理论衰变理论衰变理论衰变理论(1934)(1934)：中中子子和和质质子子是是核核子子的的两两个个不不同同状状态态，它它们们之之间间的的转转变变相相当当于于两两个个量量子子态态之之间间的的跃跃迁迁，在在跃跃迁迁过过程程中中放放出出电电子子和和中微子中微子，它们事先并不存在于核内。，它们事先并不存在于核内。衰衰变变的的本本质质是是核核内内一一个个中中子子变变为为质质子子，和和 EC的的本本质质是是一一个个质质子子变变为为中中子子，导导致致产产生生电电子子和和中中微微子子的的是是弱弱相相互互作用作用。：EC：第五十六页，本课件共有69页2009-05-30572 2、衰变衰变表达式：表达式：母核母核X X 衰变为衰变为 子核子核Y Y、一个、一个 电子电子 和一个和一个反中微子反中微子，核核中一个中一个中子中子变为了变为了质子质子。衰变前，母核衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：静止，根据能量守恒定律：衰变前衰变前静止质量静止质量衰变后衰变后静止质量静止质量衰变后衰变后动能动能第五十七页，本课件共有69页2009-05-3058定义定义：-衰变能衰变能E0 为为 反中微子反中微子 和和 粒子的动能之和，也粒子的动能之和，也就是就是衰变前后静止质量之差衰变前后静止质量之差。即：衰变前后静止质量的质量亏损衰变前后静止质量的质量亏损以原子质量以原子质量代替核质量代替核质量，并忽略电子结合能并忽略电子结合能 有或第五十八页，本课件共有69页2009-05-3059 衰变衰变发生的条件发生的条件：衰变前衰变前母核原子质量母核原子质量必须必须大于大于大于大于衰变后衰变后子核原子质量子核原子质量子核原子质量子核原子质量。电电荷荷数数分分别别为为Z和和Z1的的同同量量异异位位素素，只只要要前前者者的的原原子质量子质量大于大于后者后者，就能发生，就能发生-衰变。衰变。第五十九页，本课件共有69页2009-05-30603 3、衰变衰变表达式：表达式：母核母核X X 衰变为衰变为 子核子核Y Y、一个、一个 正电子电子 和一个和一个中微子中微子，核中核中一个一个质子质子变为了变为了中子中子。衰变前，母核衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：静止，根据能量守恒定律：衰变前衰变前静止质量静止质量衰变后衰变后静止质量静止质量衰变后衰变后动能动能第六十页，本课件共有69页2009-05-3061 衰变能：衰变能：以原子质量以原子质量代替核质量代替核质量，并忽略电子结合能，并忽略电子结合能 或：第六十一页，本课件共有69页2009-05-3062 衰变衰变发生的条件发生的条件：电电荷荷数数分分别别为为 Z 和和 Z1 的的同同量量异异位位素素，前前者者的的原原子子质质量量比比后后者者的的大大两两倍倍电电子子质质量量，才才能能发发生生 衰衰变。变。第六十二页，本课件共有69页2009-05-30634 4、EC(EC(轨道电子俘获轨道电子俘获)表达式表达式母母核核 俘俘获获核核外外轨轨道道上上的的一一个个电电子子，使使母母核核中中的的一一个个 质子质子质子质子 转变为转变为一个一个中子中子中子中子，同时放出一个同时放出一个中微子中微子。K K层电子离原子核最近层电子离原子核最近，K K电子俘获最容易发生。电子俘获最容易发生。EC衰变能：衰变能：或：第六十三页，本课件共有69页2009-05-3064EC 衰变衰变发生的条件发生的条件：电电荷荷数数为为 Z 的的核核素素要要发发生生EC衰衰变变，则则它它的的原原子子质质量量必必须须 比比 它它的的电电荷荷数数为为 Z1 的的同同量量异异位位素素的的原原子子质量质量大大 。第六十四页，本课件共有69页2009-05-3065由于：由于：所以，所以，能发生能发生 衰变的原子核衰变的原子核总总可以可以发生发生轨道电子俘轨道电子俘获获，反过来不成立。反过来不成立。EC衰变衰变的的后续过程后续过程：特征特征X射线：射线：K层电子少了一个，子核处于不稳定的激发状态，层电子少了一个，子核处于不稳定的激发状态，邻近的邻近的L层电子就会跳到层电子就会跳到K层来填充空位，从而发射出特征层来填充空位，从而发射出特征X射射线，能量为线，能量为K层和层和L层电子结合能之差值。层电子结合能之差值。俄歇电子：俄歇电子：不发射特征不发射特征X射线，而是把这个能量转交给另一个射线，而是把这个能量转交给另一个L层电子，使之克服结合能而飞出。层电子，使之克服结合能而飞出。第六十五页，本课件共有69页2009-05-30662.4 2.4 跃迁跃迁 衰变衰变：原子核从：原子核从激发态激发态通过发射通过发射 光子光子或或其他过程其他过程跃迁跃迁到到较低能态较低能态的过程。该过程的过程。该过程核电荷数不变核电荷数不变、核子数不变。核子数不变。跃迁的基本特点：跃迁的基本特点：跃迁发射跃迁发射粒子能量在几粒子能量在几KeV十几十几 MeV 跃迁半衰期跃迁半衰期范围为，范围为，10-16s10-4s 跃迁包括跃迁包括 跃迁和内转换电子两种形式。