第二章核的放射性与衰变2PPT格式课件下载.ppt

1、是研究衰变过程的重要物理量，定义为衰变能：是研究衰变过程的重要物理量，定义为原子核衰变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。所有粒子的动能。当当静止的母核发静止的母核发生生 衰变时，按照能量守恒定律，应满衰变时，按照能量守恒定律，应满足下面的关系：足下面的关系：式中式中mx、my和和ma分别是母核、子核和分别是母核、子核和 粒子的静质量，粒子的静质量，ka是是 粒子的动能，粒子的动能，kr是子核的反冲动能。是子核的反冲动能。根据衰变能定义，根据衰变能定义，衰变能衰变能Ed 就是就是 粒子的动能与子核的

2、反冲动能之粒子的动能与子核的反冲动能之和，即和，即 衰变能够发生的条件是衰变能够发生的条件是Ed 0，这表示，母核原子的质量必须大于子核原子这表示，母核原子的质量必须大于子核原子与氦原子的质量之和，与氦原子的质量之和，衰变才能够发生。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，即粒子的动量，即式中式中vy和和va分别是子核和分别是子核和 粒子的运动速率。于是衰变能可表示为粒子的运动速率。于是衰变能可表示为ka是是 粒子的动能，粒子的动能，A是是母核的质量母核的质量数数根据上式，我

3、们可由实验测得根据上式，我们可由实验测得 粒子的动能粒子的动能ka，直接计算出衰直接计算出衰变能变能Ed。因为因为 粒子质量较小，大部分动能都传给了它。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，当发生原子核内部能量也以能级的形式分布，当发生 衰变时，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部分能量并分给子核和 粒子作为它们的动能。显然，从母核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到子核的转变所放出的这部分能量就是衰变能Ed，它必定等于它必

4、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。母核与子核的相应能级之间的能量差，应该有确定值。由由 可看出，既然可看出，既然Ed有确定值，有确定值，粒子的粒子的动能动能ka只能取分立值。只能取分立值。例如，从例如，从238Pu到到234U的衰的衰变共发射出动能不同的五变共发射出动能不同的五组组 粒子，它们的动能分粒子，它们的动能分别为别为5.498 mev、5.456 mev、5.357 mev、5.206 mev和和5.007 mev，依次是从依次是从238Pu的基态到的基态到234U的基态、第的基态、第一激发态、第二激发态、一激发态、第二激发态、第三激发态和第四激发态第三激发态和第

5、四激发态的衰变过程中发射出的。的衰变过程中发射出的。图中图中 粒子动能值后面的粒子动能值后面的百分数表示该种百分数表示该种 粒子所粒子所占的比例。由测得的各组占的比例。由测得的各组 粒子的动能，可计算出粒子的动能，可计算出相应的衰变能，从而可确相应的衰变能，从而可确定定234U最低的五个能级的最低的五个能级的能量能量.P113-fig3.2.2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跃迁所发出的 射线能量与上面的计算结果一致。可见测量射线能量与上面的计算结果一致。可见测量 衰变所衰变所发射的发射的 粒子

6、的动能，是研究原子核能级结构的一种途径。粒子的动能，是研究原子核能级结构的一种途径。短射程、长射程短射程、长射程 粒子与核能级的关系：粒子与核能级的关系：短射程短射程 粒子是从母核的基态衰变到粒子是从母核的基态衰变到子核的激发态时所发射的子核的激发态时所发射的 粒子。长射程粒子。长射程 粒子是从母核的激发态衰变到子核粒子是从母核的激发态衰变到子核的基态时所发射的的基态时所发射的 粒子。同一种核放出的粒子。同一种核放出的 粒子能量是一定的。有的核放出粒子能量是一定的。有的核放出单一能量的单一能量的 射线，有的核放出几种不同能量的射线，有的核放出几种不同能量的 射线。当它不只放出一种能射线。当它不

7、只放出一种能量的量的 射线时，往往伴随有射线时，往往伴随有 射线放出。射线放出。2）2）衰变的实验规律衰变的实验规律a）a）衰变能随原子序数衰变能随原子序数Z和质量数和质量数A的变化的变化根据结合能的半经验公式得到根据结合能的半经验公式得到对于处于对于处于稳定线的原子核，利稳定线的原子核，利用稳定线的用稳定线的A（Z）关系，可算出关系，可算出Ed随随A的变化关系。对于的变化关系。对于A 150的原子核，的原子核，Ed才大于零，且才大于零，且Ed随随A的增加而增大。的增加而增大。这就解释这就解释了为什么主要是重核才观察到了为什么主要是重核才观察到 放射性。放射性。b）衰变能随同位素的变化衰变能随

8、同位素的变化c）c）衰变能和衰变常量的关系：同一元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素的半衰期和衰变能的关系可写成经验公式经验公式式中式中a a、b b或或A A、B B对同对同一元素是常量，不同元素则不同。一元素是常量，不同元素则不同。3）3）衰变的量子理论：衰变的量子理论：粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互作用 粒子在衰变前已在母核内形粒子在衰变前已在母核内形成，并自由地高速运动；由成，并自由地高速运动；由于隧道效应（由量子力学，于隧道效应（由量子力学，微观粒子具有一定的概率能微观粒子具有一定的概率能够穿透势垒，这种现象称为够穿透势垒，这种现象称为“隧道效应

9、隧道效应”），），粒子以一粒子以一定几率穿过相互作用位垒发定几率穿过相互作用位垒发射出来。射出来。衰变几率：nP=n：单位时间内单位时间内 粒子碰撞势粒子碰撞势垒的次数；垒的次数；P:穿透几率穿透几率作用势：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，表面有很强的吸引力，作用势很快升高；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。出的实验规律式完全一样。讨论：a）或或T1/2对对Ed的依赖非常强烈（指数关系），显然的依赖非常强烈（指

10、数关系），显然Ed 增大时，增大时，增大，增大，T1/2减小。减小。b）或或T1/2对对R的依赖也很强烈，的依赖也很强烈，R增大时，增大时，增大，增大，T1/2减小。基本可认减小。基本可认为为R为为核半径。则测出核半径。则测出 后，可估计后，可估计R。4）4）质子及重离子放射性质子及重离子放射性 a）a）质子衰变：对普通核素，最后一个质子的结合能总质子衰变：对普通核素，最后一个质子的结合能总b）b）是正的，即对放射质子是稳定的；但对丰质子核，最后是正的，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

11、子。它与射出质子。它与 衰变类似，具有一定的半衰期。所以，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。双质子放射性。对一般的双质子放射体，不是由于寿命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

12、个事例，即的影响，迄今在实验上只发现一个事例，即1995年首次年首次观测到观测到12O的基态双质子衰变。的基态双质子衰变。b）重离子放射性：原子核自发地放射出重离子的现象，重离子放射性：原子核自发地放射出重离子的现象，c）称为重离子放射性。重离子是指比称为重离子放射性。重离子是指比 粒子更重的离子。粒子更重的离子。自自1896年贝克勒尔发现放射性直至年贝克勒尔发现放射性直至1984年，人们一直只知道年，人们一直只知道 、和质子放射性。与和质子放射性。与 放射性相比，重离子在核内形成放射性相比，重离子在核内形成的概率很小。的概率很小。1984年英国科学家首先发现了年英国科学家首先发现了223Ra

13、具有碳离具有碳离子放射性，他们利用半导体探测器粒子鉴别技术在子放射性，他们利用半导体探测器粒子鉴别技术在189天中天中观察到观察到223Ra发射的发射的11个个14C粒子的计数。从此揭开了实验研粒子的计数。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，如射性，如234U可以发射可以发射24Ne和和28Mg，237Np可以发射可以发射30Mg。实实验测得的重离子衰变相对于验测得的重离子衰变相对于 衰变的分支比很小，大多在衰变的分支比很小，大多在10-9至至10-13范围，有的甚至小于范围，有的甚至小于10-15。2.

14、2.衰变和中微子假说衰变和中微子假说 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 衰变发衰变发生。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。半衰期半衰期:10-2s1018a，发射出粒子的能量最大为几个发射出粒子的能量最大为几个MeV，在，在全部周期表的范全部周期表的范围内都存在围内都

15、存在放射性核素。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，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