七节衰变.ppt

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1、第七节 衰变,第五节 衰变,第七章：原子核物理概论,Atomic Physics 原子物理学,第一节 原子核的描述,第二节 核质量,第三节 核力,第四节 衰变及其统计规律,第八节 核反应,第九节 原子能的利用,第六节 衰变,第一节:原子核的描述,核物理是原子下一个层次的研究内容。它以核为研究对象，其内容包括核的基本性质、核结构、核力、核模型。核的放射性衰变，核反应以及核能的应用。,人类真正对核进行研究，要追溯到1932年发现中子，并由此提出质中模型开始。70年过去了，人们对核的了解还很肤浅，在核结构、核力等方面还有很多尚未认识的东西。,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,第七章:原

2、子核物理概论,首页,原子核的基本情况-原子核的质量由于目前人们对核力的了解还不够清楚，定量描述它还很困难，因此至今我们还无法从第一性原理导出一个核质量公式。,历史上，人们曾经给出过半经验的核质量公式，我们将在下节对此作专门讨论。,通常情况下，原子的质量可以用质谱仪来测定，所以很多文献中都给出了原子的质量m，在已知 m 的情况下，我们可以用下式求出核的质量，,电量,质量,大小,组成,核素图,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,第七章：原子核物理概论,7.1 原子核的基本性质7.1.1 原子核的电荷、质量和密度1.原子核的电荷和电荷数,2.原子核的质量和质量数,3.

3、原子核的大小和密度,核半径与A 1/3成正比，这说明以下两点：(1)原子核的体积V正比于核内核子数A，即也就是说，在不同的原子核内，每个核子所占的体积近似相等。因而在各种核内的核子数密度(单位体积内的核子数)n 应大致相等：,(2)不同原子核的核物质密度(单位体积内的核质量)亦大致是常量,可见其密度十分巨大。核物质密度约是水的密度的1014倍，每立方厘米的核物质的质量约为2.3亿吨，是一种高密物质。一些晚期恒星，在它们核心中的氢作为热核聚变能源耗尽之后，星体的巨大质量引起的万有引力可将自身压缩成密度极大的天体，这个过程就是引力坍缩，或者叫超新星爆发，在这种情况下原子已破坏，电子离开核而形成电子

4、海洋，核沉浸在电子海洋中，称为白矮星，密度约1091011kg/m3。质量更大的晚期恒星的引力甚至可将电子压入核内，与核内质子形成中子，整个星体主要由中子组成，称为中子星。典型的中子星的质量为太阳的两倍，半径仅为10公里，密度达10171018kg/m3,原子核的基本情况-原子核的电荷 原子核带的正电荷恰为e的整数倍，习惯上表示为Ze，,即Q=Ze,在物理学史上，特征X射线法和粒子散射实验法都曾经被用来测定元素的核电荷数 Z，理论关系如下：,（1）Moseley 定律-,电量,质量,大小,组成,核素图,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,对于同一系列的特征X射线

5、（比如K,L系），a,b是常数，只要测得元素的特征射线的频率，就可由上式定出Z。,（2）粒子散射实验-,在测量的其它条件不变的情况下，换用不同靶，经过计数器“窗口”的记数，可以直接测出靶的核电荷数。,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,原子核的基本情况-原子核的质量由于目前人们对核力的了解还不够清楚，定量描述它还很困难，因此至今我们还无法从第一性原理导出一个核质量公式。,历史上，人们曾经给出过半经验的核质量公式，我们将在下节对此作专门讨论。,通常情况下，原子的质量可以用质谱仪来测定，所以很多文献中都给出了原子的质量m，在已知 m

6、的情况下，我们可以用下式求出核的质量，,电量,质量,大小,组成,核素图,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,式中 是电子质量，是第n个电子的结合能。,原子核的绝对质量是非常小的，,即,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,比如：原子的质量仅为 所以国际上定义，质量的1/12为原子质量单位，记为 这样，原子的原子量都是一个很接近某一整数的量，通常定义这个整数为该核的质量数，并记为A。,原子核基本情况-原子核的大小核的半径有一个经验公式,由此我们可以求得核的密度是一个与A无关的常数,不到一粒米大小的原子核

7、，其质量竟达10万吨！可见核是质量高度集中的地方。,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,值得指出的是，根据广义相对论的预言，黑洞的判据是,我们来检验一下核的这个因子,可见，核的密度与“黑洞”相比，仍然小的很。,依此计算，太阳若演化成“黑洞”，其半径约为30Km，“黑洞”的密度达,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,在发现中子之前，人们知道的基本粒子只有电子和质子。,例如，氦核有4个质子，2个电子，质子作为质量的承担者，电子抵消了2个质子的电荷。,随着量子力学的诞生，人

8、们发现质子电子说无法用量子理论解释。,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,因此早在1920年，卢瑟福就推测，核内应当存在一种与质子质量大体相等，不带电的粒子。1932年查德维克发现中子后，海森伯等人马上就提出了核的质、中模型。,实验表明，质子、中子的质量分别是,，,质量数均为1，即A=1，前者带一个单位正电荷，后者不带电，两者统称核子。,根据质量数的定义，我们很容易知道，质量数A，质子数Z和中子数N的关系是A=Z+N，所以完整的核素符号是,比如,，,等。,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图

9、,上一页,下一页,首页,在物理学中，对有一定关系的核素，有些常用的术语如下：,同中子素：比如,同量异位素：比如,镜核：比喻,。,同位素：比如,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,原子核的基本情况-核素图,一共约有2000个核素。其中天然存在的有300多个核素，（280多个稳定核素，60多个长寿命的放射性核素）；人工制造的1600多个放射性核素。它们构成了核物理的研究对象。它们构成了核物理的研究对象。,上面我们知道，核是由质子和中子构成的，那么 Z，N的不同搭配使自然界共有多少种核呢？,以中子数N和质子数Z分别为横、纵坐标轴，标出每

10、一核素的位置而得到的图称核素图。,第一节:原子核的描述,第七章:原子核物理概论,电量,质量,大小,组成,核素图,上一页,下一页,首页,第二节:核质量,质量亏损,原子的质量为,另一方面，,显然,可见，核子结合构成原子后总质量减少了，通常我们称之为质量亏损。,由上面的讨论我们知道，原子核由中子和质子组成，但实验表明，核的质量并不等于相应的质子和中子质量之和，比如对元素,其中性,，,由四个氢原子（质子+电子）和五,个中子构成，相应的质量和为,原子的结合能,质量公式,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,根据Einstein的质能公式,或者,原子核形成过程中，质量减少了，减少的质量必然以能量的

11、形式放了出来，这种能量称为结合能。,2.结合能,质量和能量的当量关系多大呢？下面我们来看看1u的质量合多大能量。,即,故Be的总结合能为,第二节:核质量,第七章:原子核物理概论,原子的结合能,质量公式,上一页,下一页,首页,为了比较不同核素结合能的大小，我们引入平均结合能,对于Be原子核,我们以A为横轴，,为纵轴，描绘出不同核素,由这条曲线，我们可以得到如下几点结论：,3.核子的平均结合能（比结合能）,1）,是原子核稳定性的标志，,越大，相应,之间的核，,近似为常数，且较,2）,的核就越稳定；,大，,第二节:核质量,第七章:原子核物理概论,原子的结合能,质量公式,上一页,下一页,首页,的曲线，

12、,3）轻核（A较小）和重核（A较大）的平均结合能都比较小，因此，轻核的聚变和重核的裂变都有能量放出，这就是通常所说的聚变和裂变的原子能，这个能量是相当大的。比如,，当一个,裂为两个质量中等的核,左右 则每个核子放出1MeV的能量，因此,的核放出的能量约为200MeV，而一克,含有,(个核）,在裂变反应中放出的能量大约为,而,，故上式,这相当于2.5吨煤的燃烧热。,一克,一个,，,第二节:核质量,第七章:原子核物理概论,原子的结合能,质量公式,上一页,下一页,首页,例题 氦(42He)原子和铍(94Be)原子的质量分别是4.002 605u和9.012 183u，试计算氦核和铍核的结合能。已知1

13、uc2=931.5MeV,第三节:核 力,到目前为止，我们已经接触过的力有万有引力、浮力、张力、分子力、摩擦力和电磁力.,这些力可以归结为两类相互作用,即引力相互作用和电磁相互作用，但是在原子核内，质子间强烈的库仑斥力却没有使质子彼此离去。可见，核内存在着一种强相互作用足以克服质 子间的斥力，这种作用对应的力就是核力。,核力的性质,核力与介子,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,1.核力(1)核力是短程强作用力核力只有在核子间的距离小于10-15m数量级时才显示出来，超出此限核力就急剧减小至零。当核子间距为0.810-15m以下时，核力表现为斥力；当间距为(0.82)10-15m时，

14、核力表现为吸引力；当间距大于1010-15m时，核力完全消失。(2)核力的电荷无关性(3)核力是具有饱和性的交换力(4)非有心力的存在3.核力的介子理论,1.短程性的强相互作用所谓短，是说这种力的作用距离不大于,所谓强，是指这种力比万有引力和静电力要强的多，比如两核子之间的引力势能大约在,量级；质子间的静电势能为,而核子间的平均结合能为,由此不难看出与三种势能相对应的引力，静电力和核力的大小之间的关系。；,核力的性质,核力与介子,第三节:核 力,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,质量数为A的原子核内有A个核子，是否所有的核子之间都有相互作用呢？如果是这样，那么原子核内共有 对相互作

15、用，,即原子核的总结合能应正比于A2，而事实上却不是这样，,2.饱和性的交换力,实验表明：总结合能，这意味着，每一个核子只与它临近的少数几个核子有相互作用，这种性质称为核力的饱和性。,第三节:核 力,第七章:原子核物理概论,核力的性质,核力与介子,上一页,下一页,首页,核力的大小与产生此核力的核子是否带电是没有关系的，比如对于 它由一个质子，,两个电子组成，原子核的总结合能为,.,3.电荷无关性,原子核的总结合能,，其中不含有静电斥能，而由2个质子，一个中子组成，原子核的总结合能为,，它们中间有静电斥能0.72MeV；若不存在静电斥能，其结合能为,，与,很接近，这说明核力与电荷无关。,第三节:

16、核 力,第七章:原子核物理概论,核力的性质,核力与介子,上一页,下一页,首页,4斥力心的存在,在这个区间内，核力的性质有引力和斥力之分，,时为强的斥力；,时为引力；,研究表明，核力的作用范围是,研究表明，核力的大小与两粒子自旋的相对取向有关，自旋平行时，核力较强，反之核,5自旋相关性,力较弱。,第三节:核 力,第七章:原子核物理概论,核力的性质,核力与介子,上一页,下一页,首页,在发现的二千多种核素中，绝大多数都是不稳定的，它们会自发地蜕变，变为另一种核素，同时放出各种射线，这种现象称为放射性衰变。放射性核素放出的射线主要有三种：射线，由氦原子核组成，它对物质的电离作用最强，但穿透物质的能力最

17、弱；射线，是高速电子流，电离作用较弱，贯穿本领较大；另外还有所谓+衰变放出的电量为+e的正电子流；射线，是波长很短的电磁波，贯穿本领最大，电离作用最小。令射线通过磁场，则射线不偏转，和射线将向相反方向偏转。除了、三种射线外，有的核素还放出含有质子或中子等粒子的射线。,第四节：衰变及其统计规律,对所有的放射性元素放出的射线进行总结、归纳发现，射线分为 三种，射线是He原子核；,射线是电子；射线是高能光子。,三种射线各有自己的性质，射线能使气体电离，但穿透本领很小；,3.衰变规律及其描述 1)衰变的统计规律及衰变常数：衰变是自发的，对于一个核素来说，何时衰变完全是偶然的，但对大量核就存在着必然的统

18、计规律。,射线电离本领较弱，但有较强的穿透本领；,射线几乎没有电离本领，但穿透本领很强。,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,设 时，未衰变的原子核是 个，随时间的推移，衰变情况如下：,同时 考虑到（其中 是比例系数）,它的物理意义是单位时间内的衰变几率，它标志着衰变的快慢。,时刻,尚未衰变的核,在 时间内，,有 个核衰变，,则必有,等式两边积分得,这就是衰变所遵循的统计规律，,程中引入的常数 称衰变常数，可以表示为,在此式推导过,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,2)

19、半衰期,，根据的,定义，可以导出其表达式，在式,中，,，则 t=,，即,解得,可见,与,期越短 不同放射性核素的半衰期是大不相同的,原子核数目减半所经历的时间称半衰期，记作,成反比，衰变常数越大，半衰,。,比如,。,令,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,3)平均寿命 对某种放射物来说，有些核早衰变，有些核晚衰变，即有的寿命长，有的寿命短，平均寿命定义为,而,故,亦即,将 代入衰变表达式得 时刻未衰变核数目为：,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,可见，核的平均寿命比它的

20、半衰期略长一点，它表示，未衰变核为原来核数目的37%，所经历的时间。,4)放射性活度,为了表示某放射源的放射性强弱，人们引入放射性活度A，定义为：,放射物在单位时间内发生衰变的原子核数目，,依此定义有,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,A的单位是：,可见，放射物的放射性活度也是按指数规律衰减的，某放射物的A，不仅与它的半衰期有关，还与t时刻的N 有关。可见，A反映了放射源的强弱。,次核衰变/秒,1贝克勒尔（Bq）=1次核衰变/秒,1居里,定义：,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下

21、一页,首页,定义：某放射源的放射性活度A与其质量的比，即,表示了放射源样品的纯度，因为当A一定时,越小，纯度越高，而 越大，纯度越低。,的放射性活度约为,，而目前生产的,的比活度为,，因此这种不纯的,要想达到,的放射性活度，至少需要1.714克。,5)比活度,比如，1克纯的,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,6)半衰期,的测定,作为它的手印，,通过的测量可以求得它的,先测某一时刻的它的，再测,所经历的时间t，该t就是它的,，但是对于,特别长的放射物，这种方法是行不通的，,对放射性核素来说，,是一个很重要的量，由,知，,。,方法,第

22、四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,，取,可得740次衰变/min12.33Bq由,可得,故,我们可以用如下的方法进行测量。,例如，对于,测它的，,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,比如质子半衰期,解：,依题意,产次衰变/月次衰变/,年，假设每月测到,一个质子衰变，需要多少水呢？,A=1,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,个水分子，而每一个,含有10个质子，所以18克水中含有,个质子，所以N个质子对应的水质量

23、为?,可见，要50多吨水，每月才能观察到1次核衰变。,我们知道，,的分子量是18，即18克,水中含有,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,1放射性衰变的位移定则,衰变,衰变,2天然放射系,，称始祖元素，半衰期最长。,其中 称为母核，称为子核。,某种元素X，经放射性衰变，变成B，如果B还是放射性的，又变为C，依次下去，直到变为一种稳定元素，就不再变了，则一系列元素构成一个放射系。,衰变及其统计规律,放射系,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,该系从,（钍）开始经6次,，4次,衰变成,(铅);,该系从

24、(铀)开始经8次，6次 衰 变成（铅）；,研究发现，自然界的放射性元素分成四个放射系，它们分别是,2）镎系（A=4n+1系）,1）钍系（A=4n系）,3）铀系（A=4n+2系）,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,该系从(铀)开始经7次，4次 衰变成（铅）。,4）锕系（A=4n+3系）,以上各系中，4n+x系表示所有核素的A均可表为4的整数倍加x。,注：,第四节：衰变及其统计规律,第七章:原子核物理概论,衰变及其统计规律,放射系,上一页,下一页,首页,第五节：衰变,衰变发生的条件及衰变能的测量,设衰变过程的母核、子核和 粒子的静质量

25、分别是，则衰变前后，系统的总能量差为(1),因为衰变是自发的，所以要使衰变得以发生，必须,这就是 衰变的条件,1.衰变条件,即,(2),衰变条件及其测量,核能级,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,由于在许多核素表中给出的是原子质量，而不是核质量，我们用 分别表示相应核素的原子质量，则有,则,(4),所以用原子质量表示的衰变条件为,(5),(3),（2）式和（5）式在形式上是完全一致的。,第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,核能级,上一页,下一页,首页,在 衰变过程中，出射的 粒子具有一定的速度，亦即 粒子具有一定的初能量，而 粒子具有2个单位的正电荷，所以可用如

26、下的方法测量它的能量,2.衰变能的测量,将 源放入磁场中，垂直纸面向里，粒子将作半径为 的圆周运动。,设 粒子初速度是，,则有，,粒子能量为,实验中测得，,即得 粒子的能量。,，,第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,核能级,上一页,下一页,首页,能谱在上述实验中，感光底片上得到的并不是一条感光线，而是一组分立的感光线。,这些分立的数值，构成了,在衰变,有两种能量的,粒子：,由此可见，从放射源出来的 粒子能量是,不连续的一些分立数值。,能谱。,中，,例如,1.,衰变条件及其测量,核能级,第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,镭Ra-88氡Rn-86,上面

27、我们定义的衰变能为,即衰变前后系统的质量损。,再比如在衰变,中，有六种能量的,粒子出射。,事实上，衰变过程中，放出的总能量 应该由三部分组成：,2.衰变能和核能级：,(2),第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,核能级,上一页,下一页,首页,式中 是出射 粒子的能量，是子核的反冲动能,称衰变能.当子核到基态时，此时的衰变能才等于总衰变能。,下面我们寻求 的表达式：,设衰变前母核静止，动量为0，,则,所以子核反冲动能为,故,（3）,式中 A 是母核质量数.,第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,核能级,上一页,下一页,首页,在（2）式中，是一定的，取一组分立值

28、时,由（3）式可见相应的 有一系列的分立值，,因而子核激发能有一系列分立值，对应 的子核到了不同的激发态.,当子核从激发态会到基态时便有 光子放出。,比如求 过程的核能级图和可能发射的 光子能量。,在实验中测得：,第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,核能级,上一页,下一页,首页,所以 对应的子核到了基态，相应的衰变能即为总衰变能,相对于子核基态的高度为4.879MeV，子核激发态高度为,即：,同理,所以实验中应该能观察到能量为 的 光子。这一能量的光子在实验中的确被测得。,第五节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,核能级,上一页,下一页,首页,第六节：衰变,衰

29、变过程中,核子数不变，所以母核和子核属同量异位素;根据衰变过程中放出电子的不同，衰变分为 放射性，放射性和轨道电子捕获(EC)三种类型。,衰变能的分布以及衰变面临的难题,因为 粒子带一个单位电荷,即,所以可以用测量 粒子衰变能量,一样的方法测得 粒子的能量，,衰变能的测量,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,设出射 粒子动能为，总能量为，,由实验可以得到粒子的强度与能量分布曲线.,则,又：,解得：,测得 即得 的大小。,1)各种能量的 粒子都有；,2)有一极大值。,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,上

30、一页,下一页,首页,粒子的能量是连续分布的；能谱中有一最大能量值Em(该曲线Em=1.2MeV)，根据理论计算，Em与衰变能E基本相等；能量分布曲线有一极大值，它表示具有相应能量的粒子最多。,衰变面临的难题,第六节：衰变,粒子能谱和其他实验结果表明，原子核的能量是量子化的。射线来源于原子核，它的能谱为什么是连续的?为了解决这一疑难，1930年，泡利提出了中微子假说。他认为在衰变过程中，原子核除了放出粒子外，同时还放出一种静质量几乎等于零的中性粒子(称为中微子)。这样，在母核静止的参照系中，衰变问题就是粒子、中微子和反冲子核的三体问题，按照动量守恒，三者之间的动量关系，在保证动量守恒的前提下，衰

31、变能量可以在子核、电子和中微子三者之间任意分配。,实验测得，出射 粒子的能量是连续的，核能级是分立的，所以总衰变能在 粒子,中微子 和子核之间进行分配。分配方案不外乎以下三种情况:,引入中微子后，能量的分配方案,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,上一页,下一页,首页,上面已经证明，原子核中是不能存在电子的。因此 衰变时的电子是核内临时产生的，在 俘获中，分别发生如下过程：,引入中微子之后，电子的来源,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,上一页,下一页,首页,衰变的条件及衰变纲图,一般表示：,仿照 衰变，我们定

32、义这一过程的衰变能为,衰变的条件为，即,（分别为母核、子核的原子质量）,由此可见，只有当母核原子的质量大于子核原子质量时，才有可能发生 衰变。,1.衰变,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,一般表示：,衰变能,条件,即,一般表示,式中 表示核外i轨道上的电子，表示该轨道上电子的结合能,2.衰变,=,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,衰变变除上面讲到的几种情况之外,.中微子吸收,.双衰变，即一次放出两个光电子,还存在以下几种特殊的衰变方式：,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及

33、其测量,中微子假设,衰变纲图,上一页,下一页,首页,4 延迟质子发射及 粒子发射，即母核发生衰变后，得到不稳定的子核，以不同的几率放出质子和 粒子，而变成其他的核素。,.延迟中子发射，即母核发生 衰变后，得到不稳定的子核；子核又放出中子，变成它的同位素，有时缓发一个中子，有时释放两个中子,。,第六节：衰变,第七章:原子核物理概论,衰变条件及其测量,中微子假设,衰变纲图,上一页,下一页,首页,第七节：衰变,通过上面的 衰变我们知道，在 衰变过程中。有的核处于基态，也有的核处于不同的激发态。,衰变的一般性质,原子核的退激，必然伴随有 射线的放出，射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差。,射线与

34、射线的差别在于能量和产生的方式不同而已。,Y衰变的条件,内变换,同质异能量,Mossbauer效应,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,射线产生于原子内层电子的跃迁；射线产生于激发态原子核的退激或正、负电子对的湮灭。,第七章:原子核物理概论,Y衰变的条件,内变换,同质异能量,Mossbauer效应,第七节：衰变,上一页,下一页,首页,某些情况下，原子核从激发态向较低能级跃迁时不一定放出光子，而是把这部分能量直接交给核外电子，是电子离开原子，这种现象称为内转换（IC），释放的电子称为内转换电子。,研究表明，内转换过程事实上是，原子核退激时，将多余的能量直接交给了核外电子，因此内变换电子

35、来源于核外轨道电子。设原子核退激放出的能量是，则内变换的能量与 层电子的结合能 之间的关系为：,内变换（）（）,2）内转换电子的来源,1）定义：,Y衰变的条件,内变换,同质异能量,Mossbauer效应,第七章:原子核物理概论,第七节：衰变,上一页,下一页,首页,在 衰变中，子核可以到不同的激发态，一般来说，激发态的寿命是相当短的；但也有的激发态是亚稳态，寿命较长，这些处于亚稳态的核与处于基态的核 和 均相同。只是内部能量不同，它们有不同的平均寿命和半衰期。通常称其为同质异能素.,同质异能素,Y衰变的条件,内变换,同质异能量,Mossbauer效应,第七章:原子核物理概论,第七节：衰变,上一页

36、,下一页,首页,第八节:核反应,发射的 粒子时发现，出射的 粒子射程都在7cm左右。但有的 粒子射程竟达40cm,这远远超出了 粒子衰变能所能前进的距离。经过认真分析，Rutherford认为,长射程的不是 粒子而是质子，他认为 粒子同空气中的氮发生了核转变过程：,人类第一次发现核反应是在1919年由Rutherford观察到的。他在研究(钋）,核反应的发现,这是人类发现的第一个核反应.,核反应的发现,守恒定律,Q方程,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,的反应：,同年在实验中发现了中子。从1934年起，开始了用中子照射包括铀在内的许多元素，并发现了核裂变。此后，关于核反应的研究迅速

37、发展起来。,实现了人工加速质子轰,1931年，世界上第一台荷电粒子加速器投入运行，1932年，,击,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,核反应的发现,守恒定律,Q方程,上一页,下一页,首页,核反应的表示及守恒定律,简示为：,式中：T为靶核；i为入射粒子；R为剩余核；l为出射轻粒子。i和l 可以是粒子，质子、中子、氘核、光子等。,1.核反应的一般表示：,2.核反应遵从的守恒定律,核反应的发现,守恒定律,Q方程,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,1）电荷数守恒：,2）质量数（核子数）守恒；,，式中,4）动量守恒：,5）角动量守恒；,3）总能量守恒（总质量并不守恒）：

38、,；,6）宇称守恒。,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,核反应的发现,守恒定律,Q方程,上一页,下一页,首页,1、核反应能的定义及吸、放能反应,和,则总能量守恒得,即Q可以用两种方法求得,设I,T,l,R 的静质量和动能分别为,定义反应能为：,（1）,（2）,核反应的发现,守恒定律,Q方程,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,由于核质量表示为,，而反应前后的总质子与中子数是相同的，,若Q0称放能反应；Q0称吸能反应。,，所以,和,可由实验测得，所以只要导出,，即可得Q的表示，核反应过程中,2.根据反应前后动能的改变量求Q,通常情况下，靶核是处于静止状态的，即,所

39、以Q又可表示为,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,核反应的发现,守恒定律,Q方程,上一页,下一页,首页,动量守恒：,变成标量式得,利用关系式,，可得,所以在Q方程中消去,得,这就是计算反应能的方程。,（4）,（5）,（6）,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,核反应的发现,守恒定律,Q方程,上一页,下一页,首页,在核反应中，测得 及，即可求得Q，,3.核反应的阈能,中，,；试问，当入射粒子的动能为,时,这个反应是否可以发生？,再由（2）式去求未知核的质量。,由上面的讨论知道，在反应,回答是否定的！,我们定义，能够引起核反应时，入射粒子所必须具有的最低能量，称为核反应的阈能。,那么在核

40、反应中，入射粒子至少应有多大的动能才能使反应得以进行呢？,第八节:核反应,第七章:原子核物理概论,核反应的发现,守恒定律,Q方程,上一页,下一页,首页,第九节:原子能的利用,中子发现后，费米等人首先开始用中子照射包括U在内的各种元素，1938年，哈恩发现U被撞击后，有钡,产生；与此同时，居里等人,产生，不久他们,1932年，在核反应,原子核的裂变,1.裂变的发现,中发现了中子，,发现：中子照射过的U有镧,又从实验中找到了另一种较轻的物质（A=101）,两者质量数之和刚好等于U的质量数.,，,原子的裂变,裂变的理论机制,第七章:原子核物理概论,上一页,下一页,首页,另一位物理学家迈特纳对上述实验

41、事实进行解释，指出U核只有很小的稳定性，在俘获中子后，本身分裂为质量差别不大的两个核，这种新,以中子轰击,为例：,反应过程是先形成“复核”,进而裂为二块,。,分别在,是放射性,2裂变产物的分布和裂变能,型的核反应称之为核裂变。,（1）,生成物共有四十多种，质量数,70-160之间，如果裂变生成物,的，它还将连续衰变。,第九节:原子能的利用,第七章:原子核物理概论,原子的裂变,裂变的理论机制,上一页,下一页,首页,比如对裂变,由于,所以整个反应过程是：,将上式中各核素的质量代入可得裂变过程中放出的能量为：,这些能量通常以碎片动能、裂变中子动能、粒子和能量，能量等形式放出,第九节:原子能的利用,第七章:原子核物理概论,原子的裂变,裂变的理论机制,上一页,下一页,首页,碲,链式反应,发生裂变时，可放出,一个中子引发,为了使链式反应得以维持，我们要求，每次裂变至少提供一个以上的中子。但是反应产,2-3个中子，这些中子再产生下一代中子.以此类推，使反应逐渐增强成为爆炸性的，此称链式反应。,生的电子能量较大；再次诱发裂变的几率不大，需要经过多次碰撞、减速，变成热中子，才能诱发裂变。因此，如果反应物体积较小，中子就有可能泄露。,第九节:原子能的利用,第七章:原子核物理概论,原子的裂变,裂变的理论机制,上一页,下一页,首页,第七章:原子核物理概论,The end,