原子核的三种主要衰变特性及其比较.docx
《原子核的三种主要衰变特性及其比较.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子核的三种主要衰变特性及其比较.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
原子核的三种主要衰变特性及其比较
分类号：
TQ242.3
单位代码:
XXXX
密级：
一®学号：
XXXXX
本科毕业论文（设计）
专业：
物理学
姓名：
XX
指导教师：
XX
职称：
教授
答辩日期：
二0—五年六月十
原子核的三种主要衰变特馭其t液
摘要：
物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。
是一门以实验硏究为基础的自然％斗。
核物理学又称原子核物理学是20世纪新建立的一个物理学分支。
它是一门既有深刻理论意义,又有重大实践意义的制。
核物理与核技术躍成为当今世界上最有生命力、发展最为迅速、影响力最大、成果最多的学科之一。
所以说，对于原子核物理的认识也就必不可少了。
然而对于原子核物理的了解,最重要的手段就是对原子核衰变的研究。
原子傑勺磁是极其复杂的，为了更妍勺认跡子核，加深对原子核衰变的理解,我们对原子核的三种主要衰变特性进行上血。
彌词:
原子核三种衰变七交
Abstract:
Subjectmatterphysicsisthestudyofthemostgenerallawsofmotionandthebasicstructureofmatter.Isaresearch-basedexperimentalnaturalsciences.Nuclearphysicsnuclearphysics,alsoknownfisabranchofphysicsnewlyestablished20thcentury.Itisbothaprofoundtheoreticalsignificanceandgreatpracticalsignificaneeofthesubjects・Nuclearphysicsandnucleartechnologyhasbecometheworld'smostvital,thefastestgrowing,mostinfluential#oneofthelargestachievementdisciplines・Sozfortheunderstandingofnuclearphysicsalsoindispensable.However,fortheunderstandingofnuclearphysics,researchisthemostimportantmeansofnucleusdecay・Nucleardecayisextremelycomplex,inordertobetterunderstandthenucleus,todeepenunderstandingofnucleardecayzwehavethreemainnucleidecaycharacteristicswerecompared.
KeyWords:
Atomicnucleus;threekindsofdecay;Compare
衰变亦称"蜕变"。
指放射性元素放射出粒子而转变为另一种元素的过程，如镭放出％放射性衰变通常都有一定的周期,并且一般不因物理或化学环境而改变,这也就是放射性可用于确定年代的原因。
由于一个原子的衰变是自然地发生,即不能预知何时会发生,因此会以机率来表示。
假设每颗原子衰变的机率大致相同，例如半衰期为一小时的原子,—小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分之一,两小时后会是四分之一,三小时后会是A分之一。
原子的某些衰变会产生出另一种元素,并会放出c（粒子、B粒子或中微子,在发生衰变后,该原子也会释出伽马射线。
衰变后的实物粒子静止质量的总合会少于衰变前实物粒子静止质量的总?
口,根据质能方程,能量可以表现出质量。
当物体的能量增加E,其质量则增加EQ,当物体的能量减少E;其质量也减少EA?
如果一个原子核衰变后放出实物粒子,假设该原子核在衰变前相对于某F性参照物静止,衰变后的新原子核所放出的实物粒子相对于该惯性参照物运动,即对于该惯性参照物而言,新原子核和所放出的实物粒子具有动能，当新原子核或所放出的实物粒子与其他粒子发生,它便会失去能量。
因此,衰变前和衰变后质量和能量都是守恒的,粒子的静止质量则不守f亘。
如果该原子核放出光子，同样的,光子也具有质量，但没有静止质量。
通常衰变所产生的产物多也是带放射性,因此会有一S串的衰变过程,直至该原子衰变至一稳定的同位素。
发生核衰变的放射性元素有的是在自然界中出现的天然放射性同位素,如碳14,但其衰变只会经过一次B衰变转为氮14原子，并不会一S串地发生。
也有很多是经过粒子对皤方法人工制造的元素。
1.放射衰变及戟律
L1原子核的放射衰变
原子核,简称"核"o位于原子的核心部分,由质子和中子两种微粒构成。
1912年英国科学家卢瑟福根据c（粒子轰击金箔的实验中,绝大多数a粒子仍沿原方向前进,少数c（粒子由于撞击到了电子发生较大偏转,个别a粒子偏转超过了90。
有的a粒子由于撞上原子核所以偏转方向甚至颇180。
。
该湖佥事实W■人了:
原子含有一W^小而质量大的带正电的中心,这就是原子核模型的来历。
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,从一种状态转变成另一种状态，或者从一种元素的原子际瞰另一种元素的原子核。
这种现象称为原子核的放射性衰变。
1.1.1放射性同位素
如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同,则他们仍有相同的原子序,在周期表是同T立置的元素,所以两者就叫同位素。
有放身寸性的同位素称为"放射性同位素”。
放射性同位素是不稳定的,它会"变"。
放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线,直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓"核衰变”。
放射性同位素在进行核衰变的时候,可放射出a射线、B射线、丫射线^电子俘获等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种身姙。
我们扌巴放射性同位素分为两种，一种是天然性的，另一种是人工的。
天然放射性同位素：
自发的放出a,P,y
人工放射性同位素：
放出a,p,y,正电子和中子等。
L1.2放射忸勺发现
1896年，法国物理学家贝克勒尔首先发现了铀的放射现象,这是人类认识原子核的开始。
1897年居里夫妇发现了放射性元黠卜和镭。
1899年发现gB射线,1900年发现Y射线。
1934年,约里奥•居里夫妇第一次人工制造放射性成功,这是人工制备放射性元劇勺开始。
1.2韓规律
把一定量的某种放射元素单独收存起来,它的数量会逐渐减少,因为一部分经放射过程变成另一种元素了,这叫衰变。
实验表明,放身寸衰变是遵守下列定律的:
式中是时间二0时的原子核数目,是经过时后还存留的原子核数目。
1.3半衰期和平均寿命
1.3.1半衰期
放射性元素衰变有一定的速率.如氧222经c（衰变变为针218,每经过3.8天就有一半的氫发生衰变,即经过3.8天后剩下一半的氢,解过3.8天,剩下的氢又有一半发生衰变，只剩下四分之一氫，解3.8天剩下八分之一氨，再经3.8舸汗十六分之一氢,……
半翹：
放射性元素的原子核有半数发捋变勺时间.
半衰期反映放身推元素衰变的瞬,每种放射性元諭有一定的半衰期,如镭226变为氢222的半衰期为1620年；铀238变为社234的半衰期为4.5x109年.半衰期只与元素本身有关,与元素所处的物理、化学状态及周围环境、温度都无关.
半衰期的测量:
斜率法、直接法、平衡关系测量法。
1.3.2平均寿缸
人的寿命有长有短，因此在任何地区，任何国家均有平均寿命的概念。
同样，对于放射物也一样。
在一种放射物中,有的原子核早变,有的晩变,这就是说有的寿筋豆，有的寿命长。
我们也就可以计算它的平均寿命。
1.4姗性强度
放射性物质在单位时间发生衰变的原子核数为该物质的放射性强度,又称为放射性活度,用A标记,月艮从指数规律。
放射性强度的单位是居里，因居里夫人而闻名。
较小的单位还有：
毫居、微居。
它的另一种单豳贝翩。
2原子核的三种主要衰变
至今,人们巴益发现的放射性衰变模式有好多种：
c（衰变、B衰变、Y衰变、自发裂变。
除此之夕卜,还有几种极其罕见的衰变模式,例如双衰变等。
在这里,我们将只对三
种主要的衰变模式：
C（憨、B衰变、原皱行研牺□!
寸论。
2.1a懿
原子核自发地放射出C（粒子而转变成另一种核的过程叫做C（衰变。
C（粒子是电荷数为
2、质量数为4的氮核He。
放射c（身做的原子核放出TSc（粒子后,他的电荷减少2单位,质量减少4单位,他变为原子序数减少2、质量数减少4的另f原子核。
原子核的c（衰变,可以一般的表示为：
其中,X代表衰变前的母核，丫代表衰变后的子核。
2.1.lc（衰变的衰变条件
根据c（衰变的表达式：
（1）
衰变前,母核河以看作静止,根据能量守叵定律我们有：
（2）
式中（）、（）和（）分别为母核、子核和c（粒子的静止质量；（）、（）分别为c（粒子的动能和子核的反冲动能。
定义（）与（）之和为"c（衰变能"。
并记作（）:
Eo=Ea+Er=[mx-（mY+ma）]c2⑶
显然，要发生c（衰变,必须E0>0,即：
MX（Z.A）>My（Z-27A-4）+MHe（4）
换言之，一个核素要发生c（衰变,衰蝴母核原子的质磁'狱坯嘶子瞬子和諦子质舷和。
2.1.2能
原子核放射a粒子时,a粒子向一个方向射出,剩下的原子核向相反方向反冲,这两个动量是相等的。
那么原来的原子核要从他的能中给出一^分能量分给这两个粒子成为他们的动能,这部分给出去的能量就是衰变能（）。
若和分别为c（粒子的动能和子核的反冲动能,则
由于衰变前母核静止,动能为零，则根据动量守區:
Eo=Er+Er=
A-4
因此,可以从实验测得的a粒子动能直接求出衰变能。
Eo=Ea+Er=[mx—（inY+ma）]c2
只适用于子核处在基态的情况,当子核处在激发态一般用
能。
2.1.3c（衰变的核能级图
2.1.4a衰变的分支比
不同能级强度所占的百分比
2.2B磁
卩衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变。
B衰变有三种盾况:
—种是放出负电子,原子核变为原子序数增加1的核（衰变）;另一种放射出正电子，原子核变为原子序数减1的核（衰变）;还有一种衰变是,原子核俘获一个核外层电子而变成原子序数减1的核,这个边呈称为俘获。
2.2.1B衰变的衰变条件
衰变一fl殳表示为：
衰变T殳表示为：
K电彌^表示为:
仿照上边的c（衰变,同样,根据能量守叵定律,可以推出三种（3衰变的衰变能及衰变产生的条件。
如果经过衰变后的子核处于基态,由方程，根据能量守直定律容易写出衰变能与母核、子核质量及电子质量之间的关系式：
Eo=[mx-（mY+me）]c2=[Mx-MY]c2
即衰变的衰变能等于母核原子与子核原子的静止能量之差。
于是，产生衰变的条件为：
即在电荷数分别为Z和Z+1的两个同量异位素中，只有当前者的原子量大于后者的原子量时,此衰变才能发生。
同理，利用类1以的方法，可以求得的衰变能
Eo=[mx-（mY+me）]c2=[Mx-MY-2me]c2
可见,衰变能等于母核原子与子核原子的静止能量差,再减去两个电子的静止能量。
产
生衰变的条件为即,在两个同量异位素中,只有当电荷数为Z的核素的原子静质量比电荷数为Z-1的原子静质量大出（1.02MeV）时，此衰变才能发生。
能放射的原子核也可能俘获电子,在这个过程中也需要放出一个中微子。
发生俘获的条件为：
。
2.2.2B衰变的衰变能
根据以上推论可知，衰变的衰变能为：
Eo=[mx一mY+me]c2=[Mx一MY]c2
衰变的衰变能为：
Eo=[mx-（mY+mG）]c2=[Mx-MY-2me]c2
K俘获的衰变能为：
2.2.3B衰变酸谱和中微子假说
2.23.1p衰变连绸普
在贝克勒尔发现放射性后的第四年”他证明了放出的射线中的一种射线,就是电子。
经过十几年仔细测量,人们确认,身姙的能量谱是连续的。
即发出的电子的能量具有从零到某一R大值之间的任意数值。
2.23.2中微刊段设
原子核在发射B电子时，同时发出一^量很小或几乎是零的中性粒子称为中微子。
泡在1930年提出了中微子假设。
当时"基本"粒子只有两个,电子和质子，中微子成为了第三个可能的成员。
但是,由于中微子既不带电，又几乎无质量,在实验中就很难测量,直到26年以后,即1956年，才首次在实验中直接观察到。
224b憨的费粗论
在泡利提出中微子假设后,不少人持怀疑态度,但是,意大^物理学家费米不仅接受了这T段设,而且还用它解决了b衰变的第二个难题。
费米认为,正像光子是在原子或者原子核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的另阱羊，电子和中微子是在衰变中产暮勺。
他的理论有以下三点：
中子和质子是核子的两个不同状态,它们之间的转变相当于两个量子态之间的跃迁。
核子在两个量子态跃迁过程中放出电子和中微子z电子和中微子事先并不存在于核。
导致产生电子和中微子的是电子、中微子场与原子核的弱相互作用。
2.2.5b衰变的跃迁分类
对于不同核素的b衰变的半衰期可以相差很大，对于这么大的变化围，我们可以从物SJtffi彳盼类。
允许碗：
I二0的项有贡献。
禁就天迁：
I二0的项无贡献。
—级禁蔽班：
I二1的项有贡献。
二级禁蔽班：
I二2的项有贡献,I二1无贡献。
三级禁蔽班：
I二3的项有贡献,I=1,2无贡献。
2.3
当原子核发生a、卩衰变时，往往衰变到子核的激发态。
处于激发态的原子核是不稳定的,它要向低激发态跃迁,与此同时往往会放出y光子,这现象称为Y跃迁,或Y衰变。
Y跃迁时,核的成分不变,即核的电荷数质量数不变。
Y跃迁的方式分Y发射和电矜专换。
2.3.1y发射
V跃迁过程中发射Y光子”Y光子的能量等于跃迁前后核能级能量差,在千电子伏特（keV）到兆电子伏特（MeV）之间,相应的波长在X身姙之下。
y发射是电磁作用过程,V发射具有多极性,通常用El、E2、E3表示电多极跃迁,用Ml.M2、M3表示磁多极跃迁。
所以丫射线可以利用原子核的电和磁的多极子辐射来描述。
y发射団呈遵从三个守ES律。
（1）总能量守恒如以和分别表示发射前后原子核的能量z为Y射线的能量,那
么
+二，即二-这曲外电旳畐射的鎚关系相等。
（2）总角动量守回
（3）宇称守恒原子核跃迁前的宇称同跃迁后它和辐射光子构成的整个体系
的宇称是相同的。
2.3.2电君专换
棗些盾况下,原子核从激发态向较低能级跃迁时不一定放出Y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,这种现象称为转换,释放的电子称为转换电子。
电子转换是原子核的非辐射跃迁。
不稳定核从高能态跃迁到低能态时不发射Y光子,而是通过原子核的电磁场同层电子相互作用,直接把跃迁能量交给层电子,造成层
电子发射。
原子核的能级之间发生跃迁时,究竟是放出Y光子的几率大还是产生转换电子的几
率大,完全由核能级的特性所决定。
一般来说,重核低激发态发生跃迁时，发生电子转扌剜勺交大。
3三种主要衰变特性的癥
3.1三种射线的比较
放射性元素够生取时,有些放射c（射线,有些放射阴域，有些姻射线的同时，伴随Y射线的放出。
3丄1三种身城
1a射线是氮核，它是2个质子和2个中子构成的。
速度可达光速的十分之一，穿透能力很弱,-»纸就能将它挡住'但有很强的电离作用,很容易使空气电离。
20強是高速电子流，速翻达0.9,贯穿本领彳狀,能穿透米懾
板”但电离作用很弱。
3Y射线是一种强电磁波,它的波长比X射线还要短,—般波长＜0.001纳米。
它
在原子核反应中,当原子核发
的放出不改变原子核的电荷,对质量的影响曲E常微小。
生a.p衰变后,往往衰变到某个激发态,处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会
通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态,而这些能量的释放是通过射线辐I寸来实现的,这种射线就是Y射线。
V射线贯穿本领最强，能穿透几厘米的。
三种射线的本融特性:
名称
纟誠
速度
穿透本领
电离作用
C（射线
He粒子流
0.1c
很弱
很强
e电子流
0.99c
较强
较弱
Y強
光子
C
很弱
3.1.2判断三种射线的方法
在铅块窄孔的底上,放上放射性样品，孔的对面放着照相底片。
没有电场时,底片显影后,正对窄孔有一个暗斑。
在底片与铅块间加一电场,显影后底片出现三个暗斑,般正电的射线儲骚小,称为a射线;带负电的偏躺大,这种身堆称为p射线;不发生偏转的不带电”称为丫射线。
3.2三种衰变机制的比较
3.2.1a取的机制
a衰变时几制是势垒贯穿。
a取产生的a粒殊自于原子核,在核a粒子删
核力吸引（负势能）”但在核外，a粒子将受到库伦斥力排斥。
这样，在核表面就形成
©势垒愈薄,穿透的可育摊愈大,即衰变几率愈大。
a粒子的能量愈小,穿透的势垒愈厚,穿透的可能性愈小,即衰变几率愈小。
3.2.2p衰变的机制
P衰变是弱相互作用过程。
P衰变的本质在于原子核的一个中子转变成质子,或者f质子转变为中子。
而中子和质子可以看做是同一核子的两个不同的量子状态,它们之间的相互转变,就相当于核子从一个量子状态跃迁到另一个量子状态。
3.2.3y衰变的机制
Y衰变是电磁相互作用，当原子核发生a、p衰变时往往g变到子核的激发态,处于激发态的原子核是不稳定的,于是原子核通过自发电磁过程从激发态跃迁到较低能态,同时放出光子。
4Wttg变的应用
原子核的这三种主要衰变的无论在科技工4k,农业,还是医学方面都有相当重要的作用的瞬。
1人们利用地壳岩石中存在的微量的放身寸性元素的衰变规律,测定地球的年龄为46亿年。
地壳有T漫长的演变历史,-g环断变化、不断发展的历史。
2碳14测年技术J4C是具有放射性的碳的同位素,能够自发的进行B衰变,变成氮
3农业上，一般利用原子核的放射性衰变进行辐身寸育种、辐射育虫、以及用于食品關支
4医学方面，常常利用其进行;台疗和疾病的诊断。
比如：
将放射性同位素直接注入或使人体吸收，利用其中产生的射线（C（、B、Y）杀伤病灶细胞。
如：
甲状腺转移癌病人口服1311治疗。
X射线透视,摄影
5餌语
本文通过对原子核的三种主要衰变模式~a衰变、p衰变、Y衰变的本质、产生条件、产生机制、衰变能等特性的上血、分析、归纳，系统得出了这三种主要衰变模式特性的相同点和不同点从而使我们对原子核的衰变有了更深刻的认识为进一^研究提供了理论基础，为对其特凶勺开发H用提供了理论依据。
⑴原子核的衰变是核的自发变化。
中子过多的不稳定核素要发生衰变；质子过多的不稳定核素要发生衰变成EC；处于高激发态的核素要发生Y衰变或IC;重的不稳定核素常发生c（衰变或自发裂变。
原子核衰变是稳定核的数目有了f限制。
（2）下表给出JW衰变鈕的鼎交
a衰变
障变
Y怂
本性
电子
电射
机制
势垒贯穿
弱相互作用
电艙目互作用
最小
产物能量分布
单能
和：
矽谱
EC:
单能
单能
衰变
能
（3）通过原子核衰变的舷,可为人们提供原子核部运动的重要信息,可对核结构模型做出检验。
同时,对他们的研究还与电磁相互作用和弱相互彳乍用有关，尤其B衰变与弱相互作用中宇称不守恒的发现密切有关。
（4）放射现象在工业、农业、现代医学等与国民经济有关的许多领域中具有广泛的新意义和应用。
缙文献：
[1]家福,王炎森,陆福全著原子馳理.
[2]褚圣麟编•原子物理学，高等教育,1979.6.
⑶戴剑锋，维学,王青编著•化学工^,物理发展与科技进步,2005.2.
⑸旺行编著•近蚀理学,大学,1995.1.
⑹王永昌主编•近代物理学,高等教育,2006.5.
[7]宏芳编著•原子物理学z科学,2006.
[8]甄长萌编•近代物理学，师学院,19883
⑼卢希庭主编:
《原子核^理》,原子能…1981。
[10]P.MarmierandE.Sheldon^Ays/csofNucleiand/^/t/c/e^AcademicPress.NewYorkandLondonf1969
雕辛
经过为期一个多月的查阅资料和归纳总结，原子核的三种主要衰变及其特性比较的论文已基本完成。
通过对本次论文的写作及其研究，不仅使得我对核物理以及原子核的这三种衰变特性有了更深入的认识,同时也使得我的学习、研究能力有了一定的扩展和提咼。
在这次写作过程中,为了能够顺禾啲完成,我大量查阅各种有关知识及文献资料,做了1:
燉充分的准备。
虽然我做了很多工作，但是其中肯定也会存在缺陷和不足之处,希望各位老师和同学批评指正。
本论文在薛老师的细心指导下完成。
从论文的选题,资料的查找,以及论文的撰写过程都给予了精心的指导。
特别是在论文的最后定稿和论文格式的规方面,她又®^厌的指导,碱使得我的论文按时翊就,潯寸薛老师表的
隹文舞）
升级会员 