原子核的放射性衰变幻灯片.ppt

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1、原子核的放射性衰变1第1页，共91页，编辑于2022年，星期五8.1 8.1 放射性衰变及其规律放射性衰变及其规律放射性衰变及其规律放射性衰变及其规律一、放射性衰变现象一、放射性衰变现象二、二、放射性衰变规律放射性衰变规律三、三、放射性活度放射性活度2第2页，共91页，编辑于2022年，星期五一、放射衰变现象：一、放射衰变现象：一、放射衰变现象：一、放射衰变现象：1、原子核的放射衰变：原子核的放射衰变：自然界中存在一些不稳定的原子核，这些原子核能自然界中存在一些不稳定的原子核，这些原子核能自发的放射出一些射线，从一种状态转变为另一种状自发的放射出一些射线，从一种状态转变为另一种状态，或从一种元

2、素的原子核转变成另一种元素的原子态，或从一种元素的原子核转变成另一种元素的原子核。这种现象称为原子核的放射性衰变。核。这种现象称为原子核的放射性衰变。2、放射性同位素：放射性同位素：天然放射性同位素：自发的放出天然放射性同位素：自发的放出、人工放射性同位素：放出人工放射性同位素：放出、,正电子和中子等。正电子和中子等。3第3页，共91页，编辑于2022年，星期五3、放射性的发现：放射性的发现：1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究物质的荧年，法国物理学家贝克勒尔在研究物质的荧光现象时发现放射性。光现象时发现放射性。1898年，居里夫妇首先提炼出放射性同位素铀。年，居里夫妇首先提炼出放射性同位素

3、铀。4、射线的性质：射线的性质：1899年，卢瑟福等人用在垂直于射线方向加磁场年，卢瑟福等人用在垂直于射线方向加磁场的方法，对射线的性质进行了研究，发现这些射的方法，对射线的性质进行了研究，发现这些射线是线是、和和。4第4页，共91页，编辑于2022年，星期五三种射线在垂直于运动方向的磁场中发生不同的偏转三种射线在垂直于运动方向的磁场中发生不同的偏转铅室铅室放射源放射源磁场方向垂直磁场方向垂直纸面向里纸面向里5第5页，共91页，编辑于2022年，星期五l放射衰变现象，电子，放射衰变现象，电子，X射线是十九世纪末的三大重射线是十九世纪末的三大重要发现，揭开了近代物理的序幕；提供了原子核内部要发现

4、，揭开了近代物理的序幕；提供了原子核内部运动变化的许多重要信息。运动变化的许多重要信息。：不带电（光子流）电离作用最小，贯穿本领：不带电（光子流）电离作用最小，贯穿本领 最大。最大。：+2e（氦原子核）电离作用最大，贯穿本领最小（氦原子核）电离作用最大，贯穿本领最小。：-e（电子流）电离作用较大，贯穿本领较大。（电子流）电离作用较大，贯穿本领较大。5.意义：意义：6第6页，共91页，编辑于2022年，星期五二、放射性衰变规律：二、放射性衰变规律：二、放射性衰变规律：二、放射性衰变规律：1.放射性衰变规律：放射性衰变是一种自发地过程放射性衰变规律：放射性衰变是一种自发地过程,遵从统计遵从统计规律

5、：规律：N=N0e-t N N0 0 是衰变前原子核数，是衰变前原子核数，N N 是是 t t 时刻留存的原子核数，时刻留存的原子核数，是衰变常数是衰变常数2.推导：推导：原子核是个量子体系，衰变是量子跃迁过程。核衰原子核是个量子体系，衰变是量子跃迁过程。核衰变服从统计规律，设变服从统计规律，设 t 时刻放射核数为时刻放射核数为N(t)，经，经 dt 时间时间有有-dN个核发生衰变，显然个核发生衰变，显然dNNN(t)(t)dtdt,引入比例常数引入比例常数，有，有7第7页，共91页，编辑于2022年，星期五2.推导：推导：原子核是个量子体系，衰变是量子跃迁过原子核是个量子体系，衰变是量子跃迁

6、过程。核衰变服从统计规律，设程。核衰变服从统计规律，设 t 时刻放射核数为时刻放射核数为 N(t)，经，经dt时间有时间有-dN个核发生衰变，显然个核发生衰变，显然dNNN(t)(t)dtdt,引入比例常数引入比例常数，有，有若若 t0 时，核数目为时，核数目为 N0，积分上式给出，积分上式给出8第8页，共91页，编辑于2022年，星期五 称为衰变常数，它是核素的一个特征量，与外界环称为衰变常数，它是核素的一个特征量，与外界环境无关，是放射物衰变快慢的标志。境无关，是放射物衰变快慢的标志。3、衰变常数衰变常数：表征衰变快慢的物理量，代表：表征衰变快慢的物理量，代表 一个一个原子核在单位时间内发

7、生衰变的几率。原子核在单位时间内发生衰变的几率。9第9页，共91页，编辑于2022年，星期五4、半衰期半衰期T：表征衰变快慢的物理量，：表征衰变快慢的物理量，T 增加，衰增加，衰 变慢。变慢。定义放射性核素衰变定义放射性核素衰变为原核数一半所需时间为为原核数一半所需时间为半衰期半衰期,并用并用T1/2表示。表示。t=T1/2，有有所以所以10第10页，共91页，编辑于2022年，星期五5 5、平均寿命平均寿命平均寿命平均寿命 ：放射性原子核在衰变前平均存在的时间。放射性原子核在衰变前平均存在的时间。放射性原子核在衰变前平均存在的时间。放射性原子核在衰变前平均存在的时间。t=0 时，核数为时，核

8、数为N0，经，经 t 时间的衰变，剩下时间的衰变，剩下 N(t)=Noe-t t，再经，再经 dt(tt+dt)时间，有时间，有-dN=Ndt Ndt 发发生衰变。这意味着生衰变。这意味着 dN 个核子存活了个核子存活了t时间，所以核时间，所以核素的总寿命是素的总寿命是 任一核素的平均寿命为任一核素的平均寿命为11第11页，共91页，编辑于2022年，星期五平均寿命平均寿命 是核素衰变为原有核数是核素衰变为原有核数 e-1 的时间，即的时间，即剩余核数为原来剩余核数为原来37的时间，所以它比半衰期的时间，所以它比半衰期T1/2长。长。12第12页，共91页，编辑于2022年，星期五 几种放射物

9、及其半衰期几种放射物及其半衰期 4.5109年 1622年 3.82日 +20.4分 3 3 1010-7-7秒秒放射物放射物 射线射线 半衰期半衰期T13第13页，共91页，编辑于2022年，星期五三、三、三、三、三、三、放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度1、放射性活度的定义：放射性活度的定义：由由 可得可得 通常称通常称 为放射性强度，又称放射性活度，为放射性强度，又称放射性活度，用用 I 表示。表示。即：即：14第14页，共91页，编辑于2022年，星期五2 2、放射性活度的单位放射性活度的单位放射性活度的单位放射性活度的单位放射性活度的单位是居里。放射性活度的

10、单位是居里。1居里（居里（Ci）=3.7 1010次核衰变次核衰变/s;1毫居（毫居（mCi）=3.7 107次核衰变次核衰变/s;1微居（微居（Ci）=3.7 104次核衰变次核衰变/s。放射性活度的另两种单位是：放射性活度的另两种单位是：（Bq）和）和（Rd）。）。1贝克勒贝克勒（Bq）=1次核衰变次核衰变/s;1居里（居里（Ci）=3.7 1010贝克勒贝克勒（Bq）；）；1卢瑟福（卢瑟福（Rd）=106次核衰变次核衰变/s。我国法定计量单位规定，用贝克勒。我国法定计量单位规定，用贝克勒。15第15页，共91页，编辑于2022年，星期五 例如对于铀那样的物质，我们可以测量它的放射性活度例

11、如对于铀那样的物质，我们可以测量它的放射性活度 I，算出产生，算出产生 I 的核素的数目的核素的数目N，然后从，然后从 I=N 求出求出。例例:取取1mg238U，可容易测得它的放射性活度为，可容易测得它的放射性活度为于是，于是，因而，因而，16第16页，共91页，编辑于2022年，星期五例：例：测测得某得某样样品的放射性活度品的放射性活度经经30天减天减为为原来的原来的 求该样求该样品的衰变常数、半衰期和平均寿命。品的衰变常数、半衰期和平均寿命。17第17页，共91页，编辑于2022年，星期五 另外，测定现时活度另外，测定现时活度 I(t)可推算年代，例可推算年代，例通过对生物通过对生物遗留

12、的放射性遗留的放射性1414C C含量的测定可鉴定古生物的年龄。对于活体含量的测定可鉴定古生物的年龄。对于活体组织内的组织内的1414C C，其丰度与大气一样。但是它们死后，其丰度与大气一样。但是它们死后，1414C C由于衰变由于衰变不断减少，通过测量现时的活度，可推算出古生物死去的时间。不断减少，通过测量现时的活度，可推算出古生物死去的时间。例如在河北磁山遗迹中发现古时的粟，在粟样品中含有例如在河北磁山遗迹中发现古时的粟，在粟样品中含有1g1g碳，碳，测出它的放射性活度为测出它的放射性活度为N(t)=10.4N(t)=10.410-2/s，可以推算它存，可以推算它存放的年代，由放的年代，由

13、1414C C的丰度的丰度(1.310(1.310-12-12)可知可知1g1g新鲜的碳中含新鲜的碳中含1414C C核数是核数是(6.02310(6.023102323/12)1.3/12)1.31010-12-12=6.5=6.510101010 对应的放射性活度为对应的放射性活度为18第18页，共91页，编辑于2022年，星期五由关系由关系 可推得古粟距今的可推得古粟距今的时间是时间是 据考证这些粟是世界上发现最早的粟，它比在印据考证这些粟是世界上发现最早的粟，它比在印度和埃及发现的还要早。度和埃及发现的还要早。19第19页，共91页，编辑于2022年，星期五 我们考虑最简单的级联衰变我

14、们考虑最简单的级联衰变两代衰变两代衰变:XYZ,核核 X 服从上述指数规律，但核服从上述指数规律，但核Y一方面不断地向一方面不断地向Z衰变，衰变，但又不断从但又不断从 X 得到补养，所以它在单位时间内的净增加得到补养，所以它在单位时间内的净增加率为率为 将将 代入，解方程给出代入，解方程给出四、四、四、四、级联衰变级联衰变级联衰变级联衰变20第20页，共91页，编辑于2022年，星期五 可见级联衰变不再是简单的指数规律。可见级联衰变不再是简单的指数规律。当当 时，时，有有21第21页，共91页，编辑于2022年，星期五由由 X XN NX XY YN NY Y 还可给出短寿命核（还可给出短寿命

15、核（Y）的半衰期：）的半衰期：上结果启发人们，要保存短寿命的核素（如上结果启发人们，要保存短寿命的核素（如Y），），应将它和母核（应将它和母核（X）一块保存。例如医用）一块保存。例如医用 射线源射线源113In*，其半衰期为，其半衰期为104分，经三个小时后，只剩下分，经三个小时后，只剩下原来的原来的1/4。但若与母体。但若与母体113Sn(113In*)一块存放，一块存放，113Sn的半衰期为的半衰期为118天天,X X0 即一个原子核要发生即一个原子核要发生 衰变，衰变前母核原子衰变，衰变前母核原子的静质量必须大于衰变后子核原子和氦原子静质量的静质量必须大于衰变后子核原子和氦原子静质量之和

16、。之和。衰变条件衰变条件32第32页，共91页，编辑于2022年，星期五例：例：判断是否能发生判断是否能发生 衰变。衰变。不能发生不能发生33第33页，共91页，编辑于2022年，星期五 粒子动能和粒子动能和 衰变能的关系（衰变能的分配）衰变能的关系（衰变能的分配）根据动量守恒定律：根据动量守恒定律：34第34页，共91页，编辑于2022年，星期五三三三三 粒子能谱与原子核的能级粒子能谱与原子核的能级l同种原子核放射的同种原子核放射的 粒子的能量不是单一的，粒子的能量不是单一的，而是有几组不同的分立值，构成分立的而是有几组不同的分立值，构成分立的 粒子粒子能谱。例如下表所示能谱。例如下表所示

17、所发射的所发射的 粒子能粒子能谱。谱。35第35页，共91页，编辑于2022年，星期五的的 粒子能谱粒子能谱012345组组 粒子能量粒子能量MeV 粒子衰变能粒子衰变能MeV强度强度%6.0866.0475.7655.6225.6035.4816.2036.1635.8765.7305.7115.58627.2 69.9 1.7 0.15 1.1 0.01636第36页，共91页，编辑于2022年，星期五测得测得 粒子的动能有粒子的动能有六种，六种，粒子能谱具有分立特粒子能谱具有分立特性性表明表明原子核具有原子核具有分立的能量状态分立的能量状态。37第37页，共91页，编辑于2022年，星期

18、五38第38页，共91页，编辑于2022年，星期五 当当 放出放出粒子衰变到粒子衰变到 的基态时放出的衰的基态时放出的衰变能最大，放出的变能最大，放出的粒子的能量最高。当衰变粒子的能量最高。当衰变 的激的激发态时，因一部分能量被留做子核的激发态能量，所以发态时，因一部分能量被留做子核的激发态能量，所以放出的放出的粒子的能量就要低一些。子核所处的激发态越粒子的能量就要低一些。子核所处的激发态越高，放出的高，放出的粒子的能量越低。粒子的能量越低。39第39页，共91页，编辑于2022年，星期五 由伴随由伴随 衰变衰变有能量不同的五种有能量不同的五种 射线放射线放射可相互印证。射可相互印证。即原子核

19、内部能量也是量子化的，即存在着能即原子核内部能量也是量子化的，即存在着能级。测出级。测出 粒子动能，计算出衰变能，就可以确粒子动能，计算出衰变能，就可以确定子核的能级。定子核的能级。40第40页，共91页，编辑于2022年，星期五例：例：对镭的对镭的对镭的对镭的 衰变：衰变：测得测得 粒子动能分别为：粒子动能分别为：相应的衰变能为：相应的衰变能为：镭放射两种能量不同的镭放射两种能量不同的 粒子，其结果又都变成氡，这粒子，其结果又都变成氡，这说明氡实际上存在着两种不同的状态：正常态和激发说明氡实际上存在着两种不同的状态：正常态和激发态。态。41第41页，共91页，编辑于2022年，星期五，4.6

20、12MeV，4.793MeV，0.189MeV4.8790.1840氡氡镭镭 当氡核由激发态向当氡核由激发态向基态跃迁时，要基态跃迁时，要发射能量发射能量h=0.184MeV的光的光子。实验上确实观子。实验上确实观测到能量为测到能量为0.189MeV的光子。的光子。如果把与氡核正常态对应的能级取为零，即如果把与氡核正常态对应的能级取为零，即 =0，那么激发态的能级便为，那么激发态的能级便为 =0.184MeV。42第42页，共91页，编辑于2022年，星期五1.经典理论解释经典理论解释 衰变过程的困难衰变过程的困难实验上测得实验上测得 粒子动能为粒子动能为4.2MeV。原子核内并无原子核内并无

21、 粒子集团存在粒子集团存在,放出的放出的 粒子是临时形成的。粒子是临时形成的。粒子的形成及粒子的形成及 粒子如何跑出原子核，用经典理论很难解粒子如何跑出原子核，用经典理论很难解释以释以 为例为例,经过经过 衰变生成衰变生成 的库仑能为的库仑能为:四四四四 衰变的机制衰变的机制衰变的机制衰变的机制43第43页，共91页，编辑于2022年，星期五 由能量守恒由能量守恒,粒子在核内总能量也为粒子在核内总能量也为4.2Mev,比库仑比库仑能小得多能小得多,说明说明 粒子在核内受到核力吸引粒子在核内受到核力吸引(负势能负势能),但在但在核外核外,粒子受到库仑力的排斥。库仑能和核势能之和大粒子受到库仑力的

22、排斥。库仑能和核势能之和大致如下图实线所示致如下图实线所示,在核表面形成一个位垒。在核表面形成一个位垒。44第44页，共91页，编辑于2022年，星期五根据经典力学，这样一个根据经典力学，这样一个 粒子不可能超出表面飞出来粒子不可能超出表面飞出来,而应被而应被表面反回核内表面反回核内,经典力学解释经典力学解释 衰变遇到了困难衰变遇到了困难.U(r)4Mev rR8.8Mev原子核原子核 的势能曲线的势能曲线45第45页，共91页，编辑于2022年，星期五2、量子力学理论对量子力学理论对 衰变过程的解释衰变过程的解释 粒子具有波动性粒子具有波动性,它的波函数在核力与库仑力起主要它的波函数在核力与

23、库仑力起主要作用的转折点处，甚至库仑作用区都不为零作用的转折点处，甚至库仑作用区都不为零,这说明这说明 粒子粒子跑出核外的几率不为零跑出核外的几率不为零,也就是说能量小于势垒高度的也就是说能量小于势垒高度的 粒粒子也有机会跑出核外子也有机会跑出核外,尽管这个机会很小。这就是量子力学尽管这个机会很小。这就是量子力学中的中的“隧道效应隧道效应”。形象的说。形象的说,粒子不是从顶上飞过去的粒子不是从顶上飞过去的,而是从隧道钻过去的。所以根据量子力学中的而是从隧道钻过去的。所以根据量子力学中的“隧道效应隧道效应”,能量小于势垒高度的能量小于势垒高度的 粒子是可以贯穿势垒跑出核外的。粒子是可以贯穿势垒跑

24、出核外的。定性分析定性分析 46第46页，共91页，编辑于2022年，星期五 衰变示意图衰变示意图47第47页，共91页，编辑于2022年，星期五l对于上图所示的势垒，由量子力学理论可以算出其对于上图所示的势垒，由量子力学理论可以算出其穿透几率为穿透几率为:由于由于,势垒宽度下面部分较大势垒宽度下面部分较大,上面部分较小上面部分较小,如果如果粒子粒子在核内势阱中具有较高的能量在核内势阱中具有较高的能量E ,则因势垒高度较小则因势垒高度较小,可算可算出的穿透几率较大出的穿透几率较大,核衰变得快核衰变得快.反之反之,若若 粒子具有的能量粒子具有的能量较低较低,则穿透几率较小则穿透几率较小;核衰变的

25、慢。此结论与由实验得到核衰变的慢。此结论与由实验得到的盖革的盖革-努塔尔定律一致。努塔尔定律一致。48第48页，共91页，编辑于2022年，星期五五、长射程五、长射程五、长射程五、长射程 粒子粒子粒子粒子实验中少数实验中少数核的核的 衰变衰变中还存在一中还存在一些能量特别些能量特别高，因而射高，因而射程特别长，程特别长，但强度很小但强度很小的的 粒子。粒子。这是处于这是处于激激发态的母核发态的母核向向基态子核基态子核跃迁所产生跃迁所产生49第49页，共91页，编辑于2022年，星期五 1、-衰变：衰变：原子核自发放出负电子原子核自发放出负电子 后，转变后，转变为另一种元素的原子核。为另一种元素

26、的原子核。2、+衰变：衰变：原子核自发放出正电子后，转原子核自发放出正电子后，转变为另一种元素的原子核。变为另一种元素的原子核。3、电子俘获：原子核吸收核外某壳层上的电子，电子俘获：原子核吸收核外某壳层上的电子，转变为另一种元素的原子核。转变为另一种元素的原子核。一一一一 、衰变衰变衰变衰变分为三种过程：分为三种过程：分为三种过程：分为三种过程：8.4 8.4 衰变衰变衰变衰变50第50页，共91页，编辑于2022年，星期五二、二、二、二、二、二、衰变的衰变条件衰变的衰变条件衰变的衰变条件衰变的衰变条件衰变的衰变条件衰变的衰变条件 衰变是核电荷数改变而核子数不变的衰变衰变是核电荷数改变而核子数

27、不变的衰变 11衰变：衰变：衰变：衰变：能量守恒：能量守恒：衰变条件：衰变条件：0，即，即 放射性核素是丰中子核素，分布于放射性核素是丰中子核素，分布于稳定线稳定线的右下方的右下方.51第51页，共91页，编辑于2022年，星期五22衰变：衰变：衰变：衰变：衰变条件：衰变条件：能量守恒：能量守恒：放射性核素是缺中子核素，分布于放射性核素是缺中子核素，分布于稳定线稳定线的左上方的左上方.52第52页，共91页，编辑于2022年，星期五53第53页，共91页，编辑于2022年，星期五3电电子子俘获俘获(EC)：原子核俘获一个核外轨道上的电原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一个原子核的过程。子

28、而转变为另一个原子核的过程。能量守恒：能量守恒：54第54页，共91页，编辑于2022年，星期五发射发射X标识谱标识谱 产生俄歇电子产生俄歇电子 电子俘获的条件：电子俘获的条件：衰变能：衰变能：K俘获不能发生，发生俘获不能发生，发生L俘获的几率最大俘获的几率最大若若55第55页，共91页，编辑于2022年，星期五三、衰变能谱与中微子假设三、衰变能谱与中微子假设三、衰变能谱与中微子假设三、衰变能谱与中微子假设 1衰变能谱衰变能谱(1)粒子能量连续分布粒子能量连续分布(2)具有确定的最大值具有确定的最大值(3)曲线有一极大值，此处曲线有一极大值，此处粒子能谱引发的困境：粒子能谱引发的困境：第一，第

29、一，粒子能谱是连续的，而原子核具有分立能级。粒子能谱是连续的，而原子核具有分立能级。第二，第二，能量不守恒？能量不守恒？第三，第三，不确定关系不允许核内有电子，那么不确定关系不允许核内有电子，那么衰变放出的电衰变放出的电子是从哪里来的呢？子是从哪里来的呢？Em/356第56页，共91页，编辑于2022年，星期五2 2中微子假设中微子假设中微子假设中微子假设 泡利认为：当放射性物质发生泡利认为：当放射性物质发生 衰变时，除了放出衰变时，除了放出 粒子外，还要放出一个中性粒子粒子外，还要放出一个中性粒子,自旋和电子一样为自旋和电子一样为 ，其静止质量几乎为，其静止质量几乎为 0，故称为中微子。，故

30、称为中微子。中微子分为两种：中微子中微子分为两种：中微子 和反中微子和反中微子，它们的质量，它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。由于三者之间的分配是任意的，所以粒由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量是连续的，形成了连续谱。子的能量是连续的，形成了连续谱。57第57页，共91页，编辑于2022年，星期五 衰变过程中能量动量守恒，在衰变过程中能量动量守恒，在 衰变过衰变过程中都有三个粒子参与能量和动量的分配，程中都有三个粒子参与能量和动量的分配，因此，放出的因此，放出的 的粒子就不象的粒子就不象 粒子那样粒子那样具具有确定的能量，因而构成连续

31、谱。有确定的能量，因而构成连续谱。Py+Pe+P =0PyPeP 58第58页，共91页，编辑于2022年，星期五由于由于 ，衰变能主要在电子和中微子之间分配，衰变能主要在电子和中微子之间分配，当当 时，时，电子能谱的极大值；电子能谱的极大值；当当 时，时，；所以电子能量，可取从所以电子能量，可取从 0 间的任何值。间的任何值。从统计的角度考虑，取得中间能量的几率最大。从统计的角度考虑，取得中间能量的几率最大。对对困境三，困境三，费费米米认为认为，电电子和中微子是在核衰子和中微子是在核衰变变中中产产生的，事先并不存在于核内。生的，事先并不存在于核内。中微子在中微子在 衰衰变变中的中的发发射先后

32、于射先后于1936年和年和1956年，得年，得到直接和间接的证明。到直接和间接的证明。59第59页，共91页，编辑于2022年，星期五 98世界十大科学突破之一：世界十大科学突破之一：日本科学家首次证明夹杂在宇宙射线中日本科学家首次证明夹杂在宇宙射线中来到地球的中微子具有静止质量。这意味着来到地球的中微子具有静止质量。这意味着中微子构成了宇宙中一定比例的质量。过去中微子构成了宇宙中一定比例的质量。过去的理论认为中微子只具有能量而没有静止质的理论认为中微子只具有能量而没有静止质量。量。60第60页，共91页，编辑于2022年，星期五四、衰变的机制四、衰变的机制四、衰变的机制四、衰变的机制 费米认

33、为：费米认为：衰变的本质在于衰变时在原子核中衰变的本质在于衰变时在原子核中受束缚的一个中子转变为质子或一个质子转变为中子，受束缚的一个中子转变为质子或一个质子转变为中子，而对电子俘获来说，其本质就是一个质子俘获一个电而对电子俘获来说，其本质就是一个质子俘获一个电子而转变为中子：子而转变为中子：衰衰变变：衰衰变变：61第61页，共91页，编辑于2022年，星期五 粒子粒子是核子的不同状态之间跃迁的产物，事先是核子的不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于核内。并不存在于核内。衰变是电子衰变是电子-中微子场与原子核的相互中微子场与原子核的相互作用作用-弱相互作用。弱相互作用。电电子俘子俘获获：因因为

34、为所以能所以能发发生生+衰衰变变的原子核的原子核总总可以可以发发生生电电子俘子俘获获.62第62页，共91页，编辑于2022年，星期五 衰变的衰变纲图衰变的衰变纲图63第63页，共91页，编辑于2022年，星期五64第64页，共91页，编辑于2022年，星期五65第65页，共91页，编辑于2022年，星期五66第66页，共91页，编辑于2022年，星期五一、一、一、一、衰变衰变衰变衰变 射线能量和核能级间的关系射线能量和核能级间的关系称为衰变能。称为衰变能。（11）衰变能衰变能衰变能衰变能 原子核通过发射原子核通过发射 光子从激发态跃迁到较低光子从激发态跃迁到较低能态的过程。能态的过程。8.6

35、 8.6 衰变衰变衰变衰变67第67页，共91页，编辑于2022年，星期五（2 2）衰变中的能量分配衰变中的能量分配衰变中的能量分配衰变中的能量分配 衰变能绝大部分被衰变能绝大部分被 光子带走。只有很小一部分成为子光子带走。只有很小一部分成为子核的反冲能核的反冲能通过射线能谱的测定可以对放射性核素的种类进行鉴通过射线能谱的测定可以对放射性核素的种类进行鉴定定活化分析。活化分析。68第68页，共91页，编辑于2022年，星期五二、内变换二、内变换二、内变换二、内变换(ICIC)通过核和核外电子间的电磁作用直接将激发能交给核通过核和核外电子间的电磁作用直接将激发能交给核外某一电子使它离开原子，这种

36、现象称为内变换，释放外某一电子使它离开原子，这种现象称为内变换，释放出来的电子叫内变换电子，其能量为：出来的电子叫内变换电子，其能量为：很小常可忽略。很小常可忽略。69第69页，共91页，编辑于2022年，星期五内内转换转换可以在原子的任何一壳可以在原子的任何一壳层层的的电电子上子上发发生，生，关关键键取决于取决于Ed 的大小，当的大小，当Ed 时时内内转换转换主要在主要在 k 层电层电子上子上发发生生当当 Ed0.1s 73第73页，共91页，编辑于2022年，星期五同质异能跃迁（同质异能跃迁（IT）74第74页，共91页，编辑于2022年，星期五1、共振吸收（原子共振吸收（原子）：因为同种

37、原子的固有频率相同因为同种原子的固有频率相同五、五、五、五、穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应EiEfEiEfAB2、原子核原子核共振吸收观察不到（很难观测）共振吸收观察不到（很难观测）EiEfAB75第75页，共91页，编辑于2022年，星期五3、原子核原子核共振吸收不易观测的原因共振吸收不易观测的原因（1）能级自然宽度能级自然宽度 指原子核能级能量围绕某一确定值的分布范围指原子核能级能量围绕某一确定值的分布范围由不确定关系有由不确定关系有激发态的寿命越短激发态的寿命越短则能级宽度越宽，则能级宽度越宽，反之越窄。反之越窄。76第76页，共91页，编辑于2022年，星期五（2）原

38、子核原子核跃迁时的反冲能跃迁时的反冲能 由于放出由于放出射线的原子核有核反冲，放出的射线的原子核有核反冲，放出的射线的射线的能量就要减少一部分。能量就要减少一部分。EiEfEd-EREd发射发射77第77页，共91页，编辑于2022年，星期五发射与所需吸收相比小了发射与所需吸收相比小了发射发射吸收吸收只有当发射谱与吸收谱只有当发射谱与吸收谱有较大重迭时，才能发有较大重迭时，才能发生生共振吸收，即共振吸收，即78第78页，共91页，编辑于2022年，星期五 其实原子发射或吸收光子也会有反冲，其反冲能为其实原子发射或吸收光子也会有反冲，其反冲能为以钠黄线（以钠黄线（3p3s）589.3mm(相当于

39、相当于2.1eV)为例，反冲为例，反冲能很小，约为能很小，约为10-10eV,eV(由其寿命由其寿命 s决定）故可以忽略原子的反冲，在这样近似下，一个决定）故可以忽略原子的反冲，在这样近似下，一个钠原子发出的黄光就可以被另一个钠原子共振地吸收。钠原子发出的黄光就可以被另一个钠原子共振地吸收。79第79页，共91页，编辑于2022年，星期五 然而对于然而对于 射线，如射线，如57Fe*核，从第一激发态向基态跃核，从第一激发态向基态跃迁释放迁释放14.4keV能量的能量的 光子。光子。铁铁14.4keV核激发态能级半衰期为核激发态能级半衰期为 9.8 10-8s,能级能级宽度为宽度为 4.710-

40、9eV，它与，它与57Fe*核的反冲能（核的反冲能（210-3eV）相比十分小，发射谱和吸收谱相距甚远，不会重叠，故相比十分小，发射谱和吸收谱相距甚远，不会重叠，故不能发生共振吸收。不能发生共振吸收。80第80页，共91页，编辑于2022年，星期五ErEr2ER原子原子原子核原子核81第81页，共91页，编辑于2022年，星期五4、无反冲无反冲 共振吸收共振吸收 1958年穆斯堡尔将年穆斯堡尔将 放射源和放射源和 吸收体都制备吸收体都制备在固体中，使反冲能量小得象原子那样可以忽略，同在固体中，使反冲能量小得象原子那样可以忽略，同时让放射源以适当的速度来回运动，产生一个多普勒时让放射源以适当的速

41、度来回运动，产生一个多普勒加宽，从而观察到共振吸收。加宽，从而观察到共振吸收。穆斯堡尔效应又称无反冲穆斯堡尔效应又称无反冲 共振吸收，是德国科共振吸收，是德国科学家穆斯堡尔学家穆斯堡尔1958年发现的，他因此获年发现的，他因此获1961年诺贝尔年诺贝尔奖。奖。82第82页，共91页，编辑于2022年，星期五1997年第七届亚太物理会议83第83页，共91页，编辑于2022年，星期五 穆斯堡尔将发射和吸收穆斯堡尔将发射和吸收 光子的原子核置入晶体内，光子的原子核置入晶体内，并形成整体。因作为整体的晶体质量很大，发射和吸收并形成整体。因作为整体的晶体质量很大，发射和吸收 光子时，整体的反冲可以忽略

42、，从而实现了无反冲光子时，整体的反冲可以忽略，从而实现了无反冲的的共振吸收。特别是他还将发射源装在转动的圆共振吸收。特别是他还将发射源装在转动的圆盘边缘上，利用多普勒效应，微调发射盘边缘上，利用多普勒效应，微调发射光子的频光子的频率，当其扫过吸收体时，可测得共振吸收峰率，当其扫过吸收体时，可测得共振吸收峰(见图见图)。84第84页，共91页，编辑于2022年，星期五85第85页，共91页，编辑于2022年，星期五86第86页，共91页，编辑于2022年，星期五 当轮转动时，放射源相对吸收体运动，当相当轮转动时，放射源相对吸收体运动，当相对速度对速度v=0时，共振吸收达到最大，当相对速度为时，共

43、振吸收达到最大，当相对速度为v时，由多普勒效应，放射源发射的时，由多普勒效应，放射源发射的射线能量将发射线能量将发生变化，其值为生变化，其值为这时共振吸收将减少，当能量改变这时共振吸收将减少，当能量改变E，超过能级，超过能级的自然宽度的自然宽度时，探测器时，探测器D的计数急剧上升。的计数急剧上升。87第87页，共91页，编辑于2022年，星期五 图中的峰宽是用量级为图中的峰宽是用量级为cm/s的速度表示的，其的速度表示的，其谱宽为谱宽为 4.610-6eV，即能级的自然宽度。，即能级的自然宽度。反之，若已知能级自然宽度，此装置可探知入射能反之，若已知能级自然宽度，此装置可探知入射能量微小的改变

44、。量微小的改变。由图可见，当放射源的运动速度为每秒几厘由图可见，当放射源的运动速度为每秒几厘米时，米时，射线的能量改变射线的能量改变E eV时共振吸收已经破时共振吸收已经破坏。坏。述述实验实验装置中入射装置中入射E的能量改的能量改变绝对值为变绝对值为4.610-6eV时时即可被探知，其相即可被探知，其相对变对变化化为为88第88页，共91页，编辑于2022年，星期五 对对 57Fe的的14.4keV能级频宽更小，为能级频宽更小，为4.710-9eV，相对，相对 光子的相对谱宽为光子的相对谱宽为310-13!任何微小的变化都任何微小的变化都可以由共振可以由共振 吸收曲线变化表示出来，故在各种精密

45、频吸收曲线变化表示出来，故在各种精密频差测量中得到广泛应用，例如引力红移的测定。差测量中得到广泛应用，例如引力红移的测定。89第89页，共91页，编辑于2022年，星期五 一个半径为一个半径为R的发光星球放出的光子能量假的发光星球放出的光子能量假定为定为h，那么，在远处接受到的光子能量不会是，那么，在远处接受到的光子能量不会是h：因为光子要克服星球的引力势而损失一部分能量。重：因为光子要克服星球的引力势而损失一部分能量。重力引力势是力引力势是远离发光星球处接收到的光子的能量为远离发光星球处接收到的光子的能量为 90第90页，共91页，编辑于2022年，星期五 即频率要变小，波长要增大，向红色方向移动，故即频率要变小，波长要增大，向红色方向移动，故称为重力红移。红移量一般小于称为重力红移。红移量一般小于 ，以前虽然能计算，以前虽然能计算，但无法测量。利用穆斯堡尔效应首次对它作了精密的测但无法测量。利用穆斯堡尔效应首次对它作了精密的测量。量。91第91页，共91页，编辑于2022年，星期五