核輻射物理電子講義1

1、核輻射物理及探測學(xué)輻射的定義（Radiation）:以?；蜻\動粒子的形式向周圍空間或物質(zhì)發(fā)射并在其中傳播的能量（如聲輻射、熱輻射、電磁輻射、輻射、輻射、中子輻射等）的統(tǒng)稱。通常論及的“輻射”概念是狹義的，它不包括無線電波和射頻波等低能電磁輻射，也不包括聲輻射和熱輻射，而僅是指高能電磁輻射（光輻射）和粒子輻射。這種狹義的“輻射”又稱為“射線”。按照其來源，輻射（射線）可以分為核輻射、原子輻射、宇宙輻射等，又可分為天然輻射、人工輻射等。按照其荷電情況和粒子性質(zhì)，輻射（射線）又可分為：帶電粒子輻射，如、p、D、T、等；中性粒子，如n、等；電磁輻射，如射線和射線等。課程介紹：核輻射物理及探測學(xué)是工程物

2、理系本科生的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程要使學(xué)生對于核輻射物理學(xué)、輻射探測器的原理、性能和應(yīng)用以及探測輻射的基本理論與方法具有深入明確的了解，并具有創(chuàng)造性地靈活應(yīng)用的能力。經(jīng)過后續(xù)實驗課的學(xué)習(xí)，學(xué)生在輻射探測實驗技術(shù)方面將進一步獲得充分的訓(xùn)練。 核輻射物理及探測學(xué)是一門內(nèi)容非常豐富與科學(xué)實驗關(guān)系極其密切的課程。核輻射物理涉及原子核的基本性質(zhì)、各種輻射的產(chǎn)生、特征，輻射與物質(zhì)的相互作用及微觀世界的統(tǒng)計概率特性等，是核科學(xué)及核工程的基礎(chǔ)。輻射探測學(xué)是近百年來核科學(xué)工作者在實踐中發(fā)明、發(fā)展的探測器與探測方法的歸納和總結(jié)。通過課程學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生掌握如何從實際出發(fā)分析問題、解決問題，以及如何綜合應(yīng)用基礎(chǔ)

3、理論和所學(xué)的各種知識的思維方法和能力，本課程中講授的核輻射物理、輻射探測器與探測方法方面的知識，將為學(xué)生將來從事核能與核科學(xué)科研、生產(chǎn)、管理等工作打下良好的基礎(chǔ)。本課程主要由三部分組成： （1）核輻射物理學(xué)。（第一章第六章）這既是輻射探測的物理基礎(chǔ)，又是其他專業(yè)課的基礎(chǔ)。 22學(xué)時 （2）輻射探側(cè)器件與裝置的原理、性能和應(yīng)用。（第七章第十章）26學(xué)時 （3）探測輻射的理論和方法。（第十一章，第十二章） 16學(xué)時 教科書：核輻射物理與探測學(xué)（講義）陳伯顯編著致電離輻射探測學(xué)（講義）安繼剛編著 參考書：原子核物理實驗方法復(fù)旦,清華,北大合編 出版社：原子能出版社 輻射探測與測量 (美)格倫 F.諾

4、爾 著 出版社：原子能出版社 Nuclear Radiation Physics Ralph E. Lapp and Howard L. Andrews, Prentice-Hell, Inc, Endlewood Cliffs, New Jersey, 1997. 第1章原子核的基本性質(zhì)1.1 原子核的組成及其穩(wěn)定性1.為什么不能由質(zhì)子和電子組成？氦核的大小，所以由不確定關(guān)系由相對論方程所以不成立，從原子核的自旋也無法解釋。2.常用術(shù)語1)核素（nuclide）特定中子、質(zhì)子數(shù)；特定的能態(tài)(一般為基態(tài))。2)同位素(isotopes)相同的質(zhì)子數(shù)。如氧的三種天然同位素。其天然含量的百分比即同

5、位素的豐度分別為各種元素的同位素豐度可由手冊查得。 3)同中子異荷素（isotones）相同的中子數(shù)，如。 4)同量異位素（isobar）相同的核子數(shù)，如。5)同質(zhì)異能素（isomer）中子數(shù)質(zhì)子數(shù)相同，但能態(tài)不同。同質(zhì)異能素所處狀態(tài)為同質(zhì)異能態(tài)即較長的激發(fā)態(tài)。如的半衰期為2.81小時，為的同質(zhì)異能素。 6)偶A核偶偶核（e-e核）；奇奇核（o-o）核；奇A核偶奇核（e-o核）；奇偶核（o-e ）核。3.核素圖什么是核素圖？即Z（質(zhì)子數(shù)）-N（中子數(shù)）的直方圖。其特點：).核素圖包括300多個天然存在的核素（其中穩(wěn)定核素280多個，放射性核素30多個及1600多個人工放射性核素。).穩(wěn)定同位素

6、幾乎全落在一條光滑的曲線，穩(wěn)定曲線在輕核靠近線，而對重核則偏離線。3).偏離穩(wěn)定曲線上方的核素為豐中子，易發(fā)生衰變；下方的核素為缺中子，易發(fā)生衰變。1.2原子核的大小根據(jù)測量方法有核力半徑和電荷分布半徑，有如下關(guān)系：（電荷半徑）（核力半徑）1.3原子核的結(jié)合能1.結(jié)合能的概念：當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個核時，由于是核力的作用，將釋放一部分能量叫結(jié)合能。以表示原子核的質(zhì)量，表示質(zhì)子的質(zhì)量，表示中子的質(zhì)量，表示結(jié)合能，則有以原子質(zhì)量表示，且忽略原子的結(jié)合能，則即可得到比結(jié)合能，（）：. 而得到比結(jié)合能曲線。比結(jié)合能小即核之間結(jié)合較松，比結(jié)合能大即核之間結(jié)合較緊，指出了核能的基本原理。2.質(zhì)量虧損與

7、質(zhì)量過剩原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和。例如，核的質(zhì)量比組成它的兩個質(zhì)子和中子質(zhì)量之和要小。兩者之差為。組成原子核的個質(zhì)子和個中子的質(zhì)量和與該原子核質(zhì)量之差稱為該原子核的質(zhì)量虧損(Mass Defect)：式中為質(zhì)量數(shù)為，質(zhì)子數(shù)為的核質(zhì)量。在計算中，略去電子結(jié)合能的差別，以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量：對于核所有的核都存在質(zhì)量虧損，即。為了計算方便，定義：為質(zhì)量過剩（或稱質(zhì)量盈余）（Mass Excesses),的單位為。在常用手冊中，給出而求出原子質(zhì)量：。一些核素的值和原子質(zhì)量核素A614.0876.015123142.86314.0030745660.60455.9349402082

8、1.759207.9766413.比結(jié)合能曲線原子核的結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)所得的商，稱為平均結(jié)合能或比結(jié)合能，即比結(jié)合能的單位是，代表核子。比結(jié)合能的物理意義為原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功?；蛘哒f，它表示核子結(jié)合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。因此，表征了原子核結(jié)合的松緊程度。大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；小，結(jié)合松，穩(wěn)定性差。從圖1-4可見, 比結(jié)合能曲線兩頭低、中間高，換句話，中等質(zhì)量的核素的比輕核、重核都大。比結(jié)合能曲線在開始時有些起伏，逐漸光滑地達到極大值（約8兆電子伏）,然后又緩慢地變小。當(dāng)結(jié)合能小的核變成結(jié)合能大的核，即當(dāng)結(jié)合得比較松的核變到結(jié)合得緊的核，就

9、會釋放能量。從圖1-4可以看出, 有兩個途徑可以獲得能量：一是重核裂變，即一個重核分裂成兩個中等質(zhì)量的核；一是輕核聚變。人們依靠重核裂變的原理制造出原子反應(yīng)堆與原子彈，依靠輕核聚變的原理制造出氫彈和人們正在探索的可控聚變反應(yīng)。由此可見，所謂原子能，主要是指原子核結(jié)合能發(fā)生變化時釋放的能量。從圖1-4 還可見，當(dāng)時，曲線在趨勢是上升的同時，峰的位置都位于為四的整數(shù)倍的地方，如、和等偶偶核，并且有。這表明對于輕核可能存在粒子的集團結(jié)構(gòu)。4. 原子核最后一個核子的結(jié)合能原子核最后一個核子的結(jié)合能，是一個自由核子與核的其余部分組成原子核時所釋放的能量。也就是從核中分離出一個核子所需要給予的能量。顯然，

10、質(zhì)子與中子的分離能是不等的。最后一個質(zhì)子的結(jié)合能定義為或最后一個中子的結(jié)合能定義為或原子核最后一個核子的結(jié)合能的大小，反映了這種原子核對鄰近的那些原子核的穩(wěn)定程度。5. 核結(jié)合能的經(jīng)驗公式核的液滴模型核模型即提出各種模型來解釋各種核現(xiàn)象，如結(jié)合能、核力、核衰變、核反應(yīng)等。液滴模型即最早用來解釋比結(jié)合能的模型。原子核的比結(jié)合能。其中：為體積能項。與水滴一樣，它正比于其體積 所以。為表面能項。表面核的核力沒有飽和。表面的結(jié)合能要結(jié)合弱，要從體結(jié)合能減去一部分, 所以。為庫侖能項。核內(nèi)有個質(zhì)子，它們之間為庫侖斥力，使結(jié)合能變小，為負(fù)項。由電場力作功可求得。為對稱能項。反映核內(nèi)的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)是否相等

11、，若它們相等時為零，。為對能項。由核中的奇偶性確定，不同的奇偶性的核有不同的對能項。偶偶核 奇偶核奇奇核。且由實驗求出：1.4 核力及核勢壘1.核力的特點：短程力；飽和性；吸引力（排斥芯）；強相互作用。2.核力的介子理論：1935年，日本湯川秀樹提出了核子的介子理論。核子間通過交換介子而發(fā)生相互作用。就如電磁相互作用通過交換光子而發(fā)生相互作用一樣?？捎珊肆Φ淖饔梅秶安淮_定關(guān)系估計介子質(zhì)量的量級約為電子的200多倍。；。3.原子核的勢壘粒子與原子核作用過程的勢能曲線，的關(guān)系。其中。當(dāng)，核力為零，僅為庫侖勢位，稱為庫侖勢壘；當(dāng)，勢壘最高，為庫侖勢壘高度當(dāng)，核力大大超過庫侖力，勢能迅速下降并改變符

12、號。當(dāng)，粒子進入靶核，合力為零，勢能為常數(shù)值,稱為勢阱深度。量子力學(xué)中的穿透勢壘的概率在經(jīng)典力學(xué)中是難以解釋的。在量子力學(xué)中，能量大于的入射粒子有可能越過勢壘，但也可能被反射回來。而能量小于的粒子有可能被勢壘反射回來，也有可能穿透勢壘進入核勢阱，這種效應(yīng)稱之為隧道效應(yīng)。1.5 原子核的自旋與磁矩1. 原子核外電子的狀態(tài)量子數(shù)玻爾成功地用量子化理論解釋了原子光譜的結(jié)構(gòu)，玻爾的創(chuàng)造性工作對現(xiàn)代量子力學(xué)的建立具有深遠的影響，但是，玻爾假定電子處于定態(tài)時不輻射能量與經(jīng)典理論不相符；量子化引進也沒有理論的解釋。在量子力學(xué)中得到圓滿的解決，這些量子化條件是薛定諤方程必然得出的結(jié)果。薛定諤方程，即對于質(zhì)量為

13、并在勢能為勢場中運動的一個粒子來說，有一個波函數(shù)與這個粒子的穩(wěn)定狀態(tài)相聯(lián)系，這個波函數(shù)滿足薛定諤方程。這個方程的每一個解，表示一個粒子運動的某一個穩(wěn)定狀態(tài)，與這個解相應(yīng)的常數(shù)，就是粒子在這個穩(wěn)定狀態(tài)的能量。在氫原子中，勢能函數(shù)為其薛定諤方程為求解這個方程，可以得到下述結(jié)論：（1）能量量子化，的本征值為，（2）軌道角動量的量子化，只有角動量為，時才有解，電子軌道角動量的最小值為零，為氫原子基態(tài)軌道角動量實驗所證實。（3）空間量子化空間量子化是電子空間概率分布的一個組成部分，此時，軌道角動量的分量須滿足量子化條件。其解取，。（）電子除軌道運動外，還作自旋運動。它具有固有的自旋角動量（角動量的一種）

14、,所以，又稱內(nèi)稟角動量。且有，。自旋在z方向的投影，即它在z方向的投影只能取和兩個值之一。叫做自旋量子數(shù)，是第四個量子數(shù)。也稱作自旋。2.原子核外軌道電子的角動量和磁矩其中：，；朗得因子，。3.原子核的自旋（角動量）由各個核子的軌道角動量和自旋共同確定。可分為：耦合，耦合。原子核的自旋（角動量）；，4.原子核的磁矩1).核子的自旋磁矩由于核子為自旋為的費米子，因此核子也有相應(yīng)的自旋磁矩。根據(jù)最新實驗數(shù)據(jù)，質(zhì)子的自旋磁矩為所以其中為核磁子中子的自旋磁矩為所以如果核子也像電子一樣是點粒子，按狄拉克方程可得出（質(zhì)子）；（中子）說明質(zhì)子不是一個基本粒子，它有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中子為中性粒子，具有磁矩，說明其內(nèi)

15、部也有電荷，其內(nèi)部也有結(jié)構(gòu)。用現(xiàn)代核子的夸克模型可得到，與實驗值很相近。2).原子核的磁矩原子核的磁矩等于核內(nèi)所有質(zhì)子的軌道磁矩與所有核子自旋磁矩的矢量和。即其中若原子核的自旋為，其磁矩及其在方向的投影；式中：為原子核的朗得因子，反映原子核內(nèi)核子的運動狀態(tài)。核子的磁矩象角動量一樣可以互相抵消。以氘核為例，氘核的基態(tài)是s態(tài)，即軌道角動量為零，僅由質(zhì)子和中子的內(nèi)稟角動量確定，它們之和為，但其實驗值為。說明氘核的基態(tài)并不完全是s態(tài)。5.原子核的電四極矩原子核是一個具有電荷分布的帶電體。在電多極展開中，電四極矩是一個重要的物理量，它反映了原子核的形狀，又描述了原子核與有梯度的外電場之間相互作用。對任意

16、帶電體系，在處的電勢為式中為核內(nèi)某一點到原子核電荷中心的距離，為在對稱軸上的投影。對原子核而言，電偶極矩恒為零，電四極矩就成為十分重要了。假如原子核是一橢球，對稱軸的半徑為，另外兩個半徑為，那么核的電四極矩為顯然，球形核的電四極矩為零，長橢球的核，扁橢球的核。原子核的電四極矩是核偏離球形的量度。1.6 原子核的統(tǒng)計性質(zhì)微觀粒子的全同性：對微觀粒子，描述起狀態(tài)是用波函數(shù)，它只能預(yù)言在何時何地粒子出現(xiàn)的概率，而不能給出每個粒子的運動軌跡，因而不可能分辨同類微觀粒子。對于由同類微觀粒子組成的多粒子體系，可以用一波函數(shù)來描述表示體系中第個粒子和第粒子交換的變換，即由于粒子的全同性，交換前后的波函數(shù)應(yīng)描

17、述體系的同一量子態(tài)，其差別最多只能相差一個常數(shù)，也就是再交換這對粒子，則可得出這表示。由此得出。對，即為對稱波函數(shù)。具有整數(shù)自旋的粒子所組成的體系總是用對稱波函數(shù)描述，她們遵從玻色愛因斯坦統(tǒng)計法，凡是遵從該統(tǒng)計法的粒子稱為玻色子如光子（），介子（）。對，即為反對稱波函數(shù)。具半整數(shù)自旋的粒子所組成的體系總是對稱波函數(shù)，她們遵從費米狄拉克統(tǒng)計法，凡是遵從該統(tǒng)計法的粒子稱為費米子如電子，中子，質(zhì)子，夸克（均為）。對費米子須服從泡利不相容原理：兩個全同費米子不可能同處在完全相同的單粒子態(tài)中。對玻色子，則沒有這一限制。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子都是費米子。原子核也可以看成全同粒子。當(dāng)質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)

18、時，原子核的自旋為整數(shù)，我們把這一類原子核看成玻色子，如粒子，核等。對質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)時，原子核的自旋為半整數(shù)，則為費米子，如，等核。1.7原子核的宇稱1.空間反演不變性和宇稱守恒空間反演表示變換。如果與某一坐標(biāo)軸相重(如y軸), 空間反演變換就成為與該軸垂直的鏡面反射變換。空間反演下物理規(guī)律的不變性與它的鏡像過程服從相同的物理規(guī)律等價。在宏觀世界中，空間反演下物理規(guī)律，如牛頓力學(xué)、麥克斯韋方程組等，在空間反演變換下是不變的。遵守相同的物理規(guī)律，但沒有相應(yīng)的守恒定律并得出相應(yīng)的守恒量。經(jīng)典物理中空間反演不變性示例:中空螺旋導(dǎo)管中射線的偏轉(zhuǎn)，說明在宏觀現(xiàn)象中互為鏡象的兩個過程都遵循同樣的經(jīng)典物理規(guī)律

19、：和宇稱的概念是微觀世界中所特有的，它是微觀體系在空間反演變換下具有對稱性時，所相應(yīng)的守恒量。設(shè)N個微觀粒子體系的波函數(shù), 如果它是空間反演算符的本征態(tài), 則有再變換一次這表明的本征值對于p=+1的情況,即;我們稱這波函數(shù)具有正的（或說偶的）宇稱，也就是該體系的宇稱為正。對于p=-1的情況,即;我們稱這波函數(shù)具有負(fù)的（或說奇的）宇稱，也就是該體系的宇稱為負(fù)。所謂宇稱守恒，即一個孤立系統(tǒng)的宇稱，奇則永遠為奇，偶則永遠為偶。它的值不隨時間改變，即此微觀體系的宇稱保持不變。原子核是由中子和質(zhì)子組成，它的狀態(tài)可以近似地用中心力場中獨立運動的諸核子的波函數(shù)的乘積來描寫，。各個粒子的軌道角動量分別為, 則

20、這體系的的總宇稱為。作為微觀粒子，還應(yīng)該有內(nèi)稟宇稱，它和粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。其宇稱可由核素性質(zhì)表查得，例如質(zhì)子、中子、電子等的內(nèi)稟宇稱為偶，即(內(nèi)稟宇稱在粒子物理中常用P表示, 在核物理中宇稱和內(nèi)稟宇稱常用表示), 而另一些粒子, 如介子、光子等, 其內(nèi)稟宇稱為奇, 即。如果考慮到粒子的內(nèi)稟宇稱，上述n個粒子體系的總宇稱為綜合原子核的自旋和宇稱，以的衰變圖為例，的基態(tài)的自旋和宇稱，的基態(tài)的自旋和宇稱同樣為。實際上，其守恒條件提供了選擇的條件。強作用與電磁作用中宇稱守恒性.由量子力學(xué)可以證明，宇稱守恒與鏡像變換的不變性等價。2. 弱作用中宇稱守恒的破壞在1956年以前，由于在宏觀世界中，物理規(guī)律在

21、空間反射變換下是不變的，因而很自然地把這一結(jié)論推廣到微觀世界中，即認(rèn)為微觀世界中宇稱是守恒的。 1956年，李政道和楊振寧在分析疑難時指出，宇稱守恒在強作用和電磁作用中是經(jīng)過實驗檢驗過的，而在弱作用中卻沒有經(jīng)過實驗的檢驗，因此疑難是由于在弱作用情況下宇稱不守恒引起的，并建議用的衰變實驗進行檢驗。年，吳健雄等人進行了這一實驗，并證實了這一結(jié)論。疑難與李楊假說:我們已經(jīng)討論過，宇稱守恒是指一個孤立體系的宇稱不隨時間變化，即在核衰變，核反應(yīng)前后，系統(tǒng)的宇稱不變。長期以來，在微觀世界中，宇稱守恒問題，并沒有引起人們的懷疑。但是在1956年的前幾年出現(xiàn)的疑難，使物理學(xué)家困惑不解，一些物理學(xué)家開始懷疑宇稱守恒的普遍性。實驗發(fā)現(xiàn)，介子和介子的一切性質(zhì)都相同，并且總是同時產(chǎn)生，在K介子衰變中占固定的比例（下表）。因此，我們自然想到，它們是同一粒子，只是衰變方式不同而已。但是，根據(jù)宇稱守恒，應(yīng)為偶宇稱，應(yīng)為奇宇稱。現(xiàn)分析如下。,和介子自旋均為零。對的衰變由角動量守恒，的總角動量J0，則它們的相對運動角動量，衰變后的宇稱，如果宇稱守恒，衰變前后系統(tǒng)宇稱相等，即，則可得的宇稱為偶。表2.4.1 ,的性質(zhì)粒子衰變方式占所有K介子衰變比例m(MeV)()6%29%對于的衰變?nèi)杂?，則如果宇稱守恒，則可得為奇宇稱。根據(jù)這些分析，可以認(rèn)識到，如果認(rèn)為宇稱守恒是普遍成立的，只能判定與不是同一種粒子，