原子物理學(xué)(第十章)

1、原子物理學(xué) 原子核是原子的中心體，研究這個(gè)中心體的特性、原子核是原子的中心體，研究這個(gè)中心體的特性、結(jié)構(gòu)和變化等問(wèn)題的一門(mén)科學(xué)稱(chēng)為原子核物理學(xué)。結(jié)構(gòu)和變化等問(wèn)題的一門(mén)科學(xué)稱(chēng)為原子核物理學(xué)。 關(guān)于原子核的知識(shí)可以分為兩個(gè)方面，關(guān)于原子核的知識(shí)可以分為兩個(gè)方面，一方面是對(duì)一方面是對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)、核力、核反應(yīng)等問(wèn)題原子核的結(jié)構(gòu)、核力、核反應(yīng)等問(wèn)題的研究，這些是涉的研究，這些是涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本問(wèn)題的。研究的目的是為了了解自然，及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本問(wèn)題的。研究的目的是為了了解自然，掌握自然規(guī)律，為更多地利用自然開(kāi)辟道路的；掌握自然規(guī)律，為更多地利用自然開(kāi)辟道路的；另一個(gè)另一個(gè)方面是原子能和放射性的應(yīng)用方面

2、是原子能和放射性的應(yīng)用。上述兩方面的研究有密。上述兩方面的研究有密切聯(lián)系，是互相推動(dòng)前進(jìn)的。對(duì)原子核的研究在理論上切聯(lián)系，是互相推動(dòng)前進(jìn)的。對(duì)原子核的研究在理論上和應(yīng)用上都有重要性。和應(yīng)用上都有重要性。第十章第十章 原子核原子核1原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì) 本節(jié)討論原子核作為一個(gè)整體所具有的性質(zhì)，不涉本節(jié)討論原子核作為一個(gè)整體所具有的性質(zhì)，不涉及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)和變化問(wèn)題。這些基本性質(zhì)對(duì)原子和及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)和變化問(wèn)題。這些基本性質(zhì)對(duì)原子和組成的分子都有影響，可以從有關(guān)原子和分子的研究推組成的分子都有影響，可以從有關(guān)原子和分子的研究推斷出來(lái)。對(duì)有些性質(zhì)也需要直

3、接對(duì)原子核進(jìn)行研究方能斷出來(lái)。對(duì)有些性質(zhì)也需要直接對(duì)原子核進(jìn)行研究方能有準(zhǔn)確的結(jié)論。有準(zhǔn)確的結(jié)論。第十章第十章 原子核原子核2原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)1 1、原子核的電荷、原子核的電荷 原子核帶正電，數(shù)值總是最小電量單位（庫(kù)侖原子核帶正電，數(shù)值總是最小電量單位（庫(kù)侖) )的的整數(shù)倍。與元素周期表中的原子序數(shù)整數(shù)倍。與元素周期表中的原子序數(shù)Z Z是一致的。原子是一致的。原子序數(shù)序數(shù)Z Z可以從不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)得。自然界中原子序數(shù)最高可以從不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)得。自然界中原子序數(shù)最高的元素是鈾，它在周期表中居第的元素是鈾，它在周期表中居第9292位，它的原子核就帶位，它的

4、原子核就帶有有9292倍最小電量單位的正電荷。人工合成的元素的倍最小電量單位的正電荷。人工合成的元素的Z Z值值已超過(guò)已超過(guò)100100了。了。 第十章第十章 原子核原子核3原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)2 2、原子核的質(zhì)量、原子核的質(zhì)量 原子核有質(zhì)量。對(duì)原子核的描述或進(jìn)行某些計(jì)算時(shí)，原子核有質(zhì)量。對(duì)原子核的描述或進(jìn)行某些計(jì)算時(shí)，往往用整個(gè)中性原子的質(zhì)量數(shù)值。原子的總質(zhì)量等于原往往用整個(gè)中性原子的質(zhì)量數(shù)值。原子的總質(zhì)量等于原子核的質(zhì)量加核外電子的質(zhì)量，再減去相當(dāng)于電子全部子核的質(zhì)量加核外電子的質(zhì)量，再減去相當(dāng)于電子全部結(jié)合能的數(shù)值。所以由原子總質(zhì)量可以算出原子核

5、的質(zhì)結(jié)合能的數(shù)值。所以由原子總質(zhì)量可以算出原子核的質(zhì)量。以后談到原子質(zhì)量都指中性原子的總質(zhì)量。量。以后談到原子質(zhì)量都指中性原子的總質(zhì)量。 第十章第十章 原子核原子核4原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)2 2、原子核的質(zhì)量、原子核的質(zhì)量 原子質(zhì)量可以用質(zhì)譜儀測(cè)得，也可以由其他方法推原子質(zhì)量可以用質(zhì)譜儀測(cè)得，也可以由其他方法推算。原子質(zhì)量的質(zhì)量通常用原子質(zhì)量單位算。原子質(zhì)量的質(zhì)量通常用原子質(zhì)量單位u u來(lái)表示來(lái)表示（1u=1.660551u=1.6605510-2710-27）。表）。表10.110.1開(kāi)列了幾種核素的質(zhì)開(kāi)列了幾種核素的質(zhì)量。用質(zhì)量單位表示的核素質(zhì)量都很

6、接近一個(gè)整數(shù)的，量。用質(zhì)量單位表示的核素質(zhì)量都很接近一個(gè)整數(shù)的，這個(gè)整數(shù)稱(chēng)為各核素的質(zhì)量數(shù)這個(gè)整數(shù)稱(chēng)為各核素的質(zhì)量數(shù)A A。如表中第二列中數(shù)字。如表中第二列中數(shù)字。第十章第十章 原子核原子核5原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)2 2、原子核的質(zhì)量、原子核的質(zhì)量 第十章第十章 原子核原子核6原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)2 2、原子核的質(zhì)量、原子核的質(zhì)量 第十章第十章 原子核原子核7原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)3 3、原子核的成分、原子核的成分 原子核是由質(zhì)子和中子兩種粒子組成的。原子核是由質(zhì)子和中子兩

7、種粒子組成的。 的原子的原子核只是一個(gè)質(zhì)子，所以質(zhì)子就是帶一個(gè)單位正電荷的最核只是一個(gè)質(zhì)子，所以質(zhì)子就是帶一個(gè)單位正電荷的最輕的氫核。中子是質(zhì)量等于輕的氫核。中子是質(zhì)量等于1.00866541.0086654質(zhì)量單位的中性質(zhì)量單位的中性粒子。由于這兩種粒子的質(zhì)量數(shù)都是粒子。由于這兩種粒子的質(zhì)量數(shù)都是1 1，所以，所以原子核的原子核的質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A A也代表構(gòu)成這個(gè)原子核的質(zhì)子和中子的總數(shù)也代表構(gòu)成這個(gè)原子核的質(zhì)子和中子的總數(shù)。代表原子核電量的代表原子核電量的Z Z也代表核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。也代表核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。N=A-ZN=A-Z是核內(nèi)是核內(nèi)的中子數(shù)。的中子數(shù)。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)核子質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)核子。

8、11H第十章第十章 原子核原子核8原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)4 4、原子核的大小、原子核的大小 第十章第十章 原子核原子核9原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)4 4、原子核的大小、原子核的大小 第十章第十章 原子核原子核10原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)5 5、原子核的角動(dòng)量、原子核的角動(dòng)量 原子核具有角動(dòng)量，它的總角動(dòng)量等于原子核具有角動(dòng)量，它的總角動(dòng)量等于 ，I I為整數(shù)或半整數(shù)，稱(chēng)為原子核的自旋量子數(shù)。原子核為整數(shù)或半整數(shù)，稱(chēng)為原子核的自旋量子數(shù)。原子核的總角動(dòng)量往往按照習(xí)慣稱(chēng)為原子核的自旋。

9、同核外電的總角動(dòng)量往往按照習(xí)慣稱(chēng)為原子核的自旋。同核外電子的情況相仿，原子核角動(dòng)量在任一方向可以觀察到的子的情況相仿，原子核角動(dòng)量在任一方向可以觀察到的最大分量是最大分量是 。 一個(gè)原子核的總角動(dòng)量是構(gòu)成這個(gè)原子核的質(zhì)子和一個(gè)原子核的總角動(dòng)量是構(gòu)成這個(gè)原子核的質(zhì)子和中子的軌道角動(dòng)量和它們的自旋角動(dòng)量的矢量和。當(dāng)原中子的軌道角動(dòng)量和它們的自旋角動(dòng)量的矢量和。當(dāng)原子核被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的角動(dòng)量不一定等于基態(tài)的角動(dòng)量。子核被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的角動(dòng)量不一定等于基態(tài)的角動(dòng)量。 ()1I I +hIh第十章第十章 原子核原子核11原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)5 5、原子核的角動(dòng)量

10、、原子核的角動(dòng)量原子核的角動(dòng)量可以從原子原子核的角動(dòng)量可以從原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)、或從分光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)、或從分子光譜測(cè)得。表子光譜測(cè)得。表10.210.2中開(kāi)中開(kāi)列了一些原子核的列了一些原子核的I I值?？芍??？梢钥吹剑哂信紨?shù)質(zhì)量數(shù)以看到，具有偶數(shù)質(zhì)量數(shù)A A的原子核的的原子核的I I值都是整數(shù)，值都是整數(shù)，奇數(shù)質(zhì)量數(shù)的原子核的奇數(shù)質(zhì)量數(shù)的原子核的I I值值都是半整數(shù)。都是半整數(shù)。 第十章第十章 原子核原子核12原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)6 6、原子核的磁矩、原子核的磁矩 原子核中帶電的質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以原子原子核中帶電的質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所

11、以原子核具有磁矩。以后會(huì)了解中子也對(duì)原子核的磁矩有貢獻(xiàn)。核具有磁矩。以后會(huì)了解中子也對(duì)原子核的磁矩有貢獻(xiàn)。原子核的總磁矩，如同核外電子的情況，可以表達(dá)為原子核的總磁矩，如同核外電子的情況，可以表達(dá)為 （10.1-310.1-3）式中式中M M是質(zhì)子的質(zhì)量，是質(zhì)子的質(zhì)量，稱(chēng)為核磁子。稱(chēng)為核磁子。M M比電子質(zhì)量大比電子質(zhì)量大18361836倍，所以核磁子比玻爾磁子小倍，所以核磁子比玻爾磁子小18361836倍。因此原子核倍。因此原子核磁矩比原子磁矩要小得多。磁矩比原子磁矩要小得多。 ()()1122IIeegPgI IgI IMMmb=+=+h第十章第十章 原子核原子核13原子物理學(xué)10.1 1

12、0.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)6 6、原子核的磁矩、原子核的磁矩 原子核的原子核的g g因子的數(shù)值不能通過(guò)公式計(jì)算，只能由因子的數(shù)值不能通過(guò)公式計(jì)算，只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，其數(shù)值有正有負(fù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，其數(shù)值有正有負(fù)。 原子核磁矩可以用核磁共振等方法測(cè)得。表原子核磁矩可以用核磁共振等方法測(cè)得。表10.210.2中中的是核磁矩最大可能分量的數(shù)值，以核磁子為單位，因的是核磁矩最大可能分量的數(shù)值，以核磁子為單位，因此表中的數(shù)值就是此表中的數(shù)值就是IgIg。 第十章第十章 原子核原子核14原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩 由實(shí)驗(yàn)可

13、知原子核的電荷分布不一定是球形對(duì)稱(chēng)的。由實(shí)驗(yàn)可知原子核的電荷分布不一定是球形對(duì)稱(chēng)的。 當(dāng)帶電體的電荷分布是球形對(duì)稱(chēng)時(shí)，在體外離球心當(dāng)帶電體的電荷分布是球形對(duì)稱(chēng)時(shí)，在體外離球心R R處的電勢(shì)是處的電勢(shì)是q q是帶電體的總電荷。是帶電體的總電荷。 04qRfpe=第十章第十章 原子核原子核15原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩 非球形對(duì)稱(chēng)分布的電荷所產(chǎn)生的電勢(shì)一般可表達(dá)為非球形對(duì)稱(chēng)分布的電荷所產(chǎn)生的電勢(shì)一般可表達(dá)為 （10.1-410.1-4）式中第一項(xiàng)是單電荷的電勢(shì)，第二項(xiàng)是偶極子的電勢(shì)，式中第一項(xiàng)是單電荷的電勢(shì)，第二項(xiàng)是偶極

14、子的電勢(shì)，第三項(xiàng)是四極子的電勢(shì)。第三項(xiàng)是四極子的電勢(shì)。 123123a Ra Ra Rf-=+ L第十章第十章 原子核原子核16原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩例如高有點(diǎn)電荷的分布如圖例如高有點(diǎn)電荷的分布如圖10.1(a)10.1(a)所示，在箭頭方向所示，在箭頭方向上的電勢(shì)可以證明是上的電勢(shì)可以證明是 （10.1-510.1-5）圖圖10.1(b)10.1(b)的電荷分布同圖的電荷分布同圖10.1(a)10.1(a)是等效的?？芍鲜绞堑刃У??？芍鲜绞且粋€(gè)單電荷是一個(gè)單電荷2e2e和一個(gè)四極子聯(lián)合的電勢(shì)。和一個(gè)四極子聯(lián)

15、合的電勢(shì)。 第十章第十章 原子核原子核172201224eeaRRfpe輊犏=+犏臌原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩第十章第十章 原子核原子核18原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩如果電荷作旋轉(zhuǎn)橢球式的分布，在對(duì)稱(chēng)軸上的電勢(shì)可以如果電荷作旋轉(zhuǎn)橢球式的分布，在對(duì)稱(chēng)軸上的電勢(shì)可以表達(dá)為表達(dá)為所以旋轉(zhuǎn)橢球式的電荷分布等效于一個(gè)單電荷和一個(gè)四所以旋轉(zhuǎn)橢球式的電荷分布等效于一個(gè)單電荷和一個(gè)四極子的迭合。令極子的迭合。令 ，稱(chēng)為電四極矩。，稱(chēng)為電四極矩。 313aa

16、RRf=+32Qae=第十章第十章 原子核原子核19原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩可以證明原子核的電四極矩可以用下式表示：可以證明原子核的電四極矩可以用下式表示：式中式中a a為旋轉(zhuǎn)橢球中沿對(duì)稱(chēng)軸的半徑，為旋轉(zhuǎn)橢球中沿對(duì)稱(chēng)軸的半徑，b b為垂直于對(duì)稱(chēng)軸為垂直于對(duì)稱(chēng)軸最大圓截面的半徑，如圖最大圓截面的半徑，如圖10.210.2所示。所示。 ()2225QZ ab=-第十章第十章 原子核原子核20原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩 實(shí)驗(yàn)證明原子核有電四極矩

17、存在，很多原子核的電實(shí)驗(yàn)證明原子核有電四極矩存在，很多原子核的電荷分布是橢球式的。荷分布是橢球式的。 原子核的電荷分布對(duì)核外電子有影響，因此在原子原子核的電荷分布對(duì)核外電子有影響，因此在原子和分子光譜中和核磁共振中會(huì)顯示出來(lái)。通過(guò)這些現(xiàn)象和分子光譜中和核磁共振中會(huì)顯示出來(lái)。通過(guò)這些現(xiàn)象的觀測(cè)可以測(cè)定原子核的電四極矩。的觀測(cè)可以測(cè)定原子核的電四極矩。 第十章第十章 原子核原子核21原子物理學(xué)10.1 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩表表10.310.3中開(kāi)列了實(shí)驗(yàn)測(cè)定的中開(kāi)列了實(shí)驗(yàn)測(cè)定的一些原子核的電四極矩。一些原子核的電四極矩。正號(hào)表示正號(hào)表

18、示 ，負(fù)號(hào)表示負(fù)號(hào)表示 。 ,0ab Q,0ab Q92Z92的人工放射物，衰變后連的人工放射物，衰變后連接在三個(gè)天然放射系上，圖中沒(méi)有畫(huà)出。接在三個(gè)天然放射系上，圖中沒(méi)有畫(huà)出。 第十章第十章 原子核原子核21082Pb20682PbUUI23892U23492U56原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 3、衰變衰變 原子核放射出來(lái)的原子核放射出來(lái)的粒子具有一定的速度，也就是說(shuō)有粒子具有一定的速度，也就是說(shuō)有一定的動(dòng)能。經(jīng)過(guò)物質(zhì)能量逐漸損失，直到能量損失完畢，一定的動(dòng)能。經(jīng)過(guò)物質(zhì)能量逐漸損失，直到能量損失完畢，它不再前進(jìn)，就消失了。所以它不再前進(jìn)，就消失了。所以粒子

19、按它的初速或初能量的粒子按它的初速或初能量的大小有一定的射程，通過(guò)對(duì)射程的測(cè)量可以測(cè)出大小有一定的射程，通過(guò)對(duì)射程的測(cè)量可以測(cè)出粒子的初粒子的初能量。能量。 粒子通過(guò)物質(zhì)的實(shí)際距離與物質(zhì)的密度有關(guān)。例如在粒子通過(guò)物質(zhì)的實(shí)際距離與物質(zhì)的密度有關(guān)。例如在減壓的空氣中射出的距離要比一個(gè)大氣壓的空氣中遠(yuǎn)。減壓的空氣中射出的距離要比一個(gè)大氣壓的空氣中遠(yuǎn)。 第十章第十章 原子核原子核57原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 3、衰變衰變 第十章第十章 原子核原子核58原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 3、衰變衰變 第十章第十章 原子核原子核59原

20、子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 3、衰變衰變（2 2）衰變能）衰變能第十章第十章 原子核原子核60原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 3、衰變衰變（2 2）衰變能）衰變能第十章第十章 原子核原子核61原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 3、衰變衰變（2 2）衰變能）衰變能第十章第十章 原子核原子核62原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ兊谑碌谑?原子核原子核63原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（1 1）衰變的三種情況衰變的三種情

21、況 原子核中不存在電子，原子核中不存在電子，衰變時(shí)發(fā)出的電子認(rèn)為是臨衰變時(shí)發(fā)出的電子認(rèn)為是臨時(shí)產(chǎn)生的。在放出負(fù)電子的情形，原子核中一個(gè)中子放出時(shí)產(chǎn)生的。在放出負(fù)電子的情形，原子核中一個(gè)中子放出一個(gè)負(fù)電子，變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子；在放出正電子的情形，原子一個(gè)負(fù)電子，變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子；在放出正電子的情形，原子核中一個(gè)質(zhì)子放出一個(gè)正電子，變?yōu)橹凶樱辉诤酥幸粋€(gè)質(zhì)子放出一個(gè)正電子，變?yōu)橹凶?；在K K俘獲的情形，俘獲的情形，原子核中一個(gè)質(zhì)子吸收一個(gè)電子變?yōu)橹凶?。原子核中一個(gè)質(zhì)子吸收一個(gè)電子變?yōu)橹凶印５谑碌谑?原子核原子核64原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（2 2）射線

22、的能量和能譜射線的能量和能譜能量的計(jì)算能量的計(jì)算 基本原理還是根據(jù)在磁場(chǎng)中帶電粒子路徑的彎曲。垂基本原理還是根據(jù)在磁場(chǎng)中帶電粒子路徑的彎曲。垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子的動(dòng)量為直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子的動(dòng)量為 (10.2-8)(10.2-8) 用相對(duì)論的能量公式可得其動(dòng)能為用相對(duì)論的能量公式可得其動(dòng)能為第十章第十章 原子核原子核pmvBer=()1 22222200Ec pm cm c輊=+-犏臌65原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的能量和能譜能量的計(jì)算能量的計(jì)算 第十章第十章 原子核原子核66原子物理學(xué)10.2 10.2

23、原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的能量和能譜能譜的特點(diǎn)能譜的特點(diǎn) 一是連續(xù)分布；一是連續(xù)分布； 二是存在最大值；二是存在最大值； 三是射線強(qiáng)度最高處的能量約等于最大能量值的三是射線強(qiáng)度最高處的能量約等于最大能量值的1/31/3。如圖如圖10.610.6所示。所示。第十章第十章 原子核原子核67原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的能量和能譜第十章第十章 原子核原子核68原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的

24、能量和能譜第十章第十章 原子核原子核69原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 最后設(shè)想原子核發(fā)射最后設(shè)想原子核發(fā)射電子時(shí)，同時(shí)發(fā)出一粒質(zhì)量很小電子時(shí)，同時(shí)發(fā)出一粒質(zhì)量很小或幾乎是零的中性粒子，稱(chēng)為或幾乎是零的中性粒子，稱(chēng)為中微子中微子。因?yàn)樗侵行缘?，所。因?yàn)樗侵行缘?，所以未能直接觀察到。關(guān)于能量連續(xù)分布是這樣的情況：以未能直接觀察到。關(guān)于能量連續(xù)分布是這樣的情況：衰衰變能是有一定數(shù)值，這能量被三個(gè)粒子（電子、中微子和剩變能是有一定數(shù)值，這能量被三個(gè)粒子（電子、中微子和剩下的原子核下的原子核) )分占，由于有各種不同的分配，電

25、子分得的能量分占，由于有各種不同的分配，電子分得的能量就可以從零連續(xù)變化到一個(gè)最大值。三個(gè)粒子的動(dòng)量的矢量就可以從零連續(xù)變化到一個(gè)最大值。三個(gè)粒子的動(dòng)量的矢量和應(yīng)等于零，但是角度的關(guān)系可以有各種情況，因此動(dòng)量的和應(yīng)等于零，但是角度的關(guān)系可以有各種情況，因此動(dòng)量的分配有各種情況，因而能量的分配也有各種情況。分配有各種情況，因而能量的分配也有各種情況。第十章第十章 原子核原子核70原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子圖圖10.710.7顯示幾種情況。顯示幾種情況。 第十章第十章 原子核原子核71原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的

26、放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 （a)a)圖表示電子（圖表示電子（)和剩核（和剩核（A)A)在相反方向射出；中微在相反方向射出；中微子（子（）在垂直方向射出，分得的動(dòng)量等于零，因而能量也）在垂直方向射出，分得的動(dòng)量等于零，因而能量也等于零，衰變能被電子和剩核分占。電子的動(dòng)量和剩核的動(dòng)等于零，衰變能被電子和剩核分占。電子的動(dòng)量和剩核的動(dòng)量相等相反，但是電子的質(zhì)量比剩核的質(zhì)量小得多，電子分量相等相反，但是電子的質(zhì)量比剩核的質(zhì)量小得多，電子分得的能量要比剩核分得的大得多，差不多等于全部衰變能。得的能量要比剩核分得的大得多，差不多等于全部衰變能。這就是這就是能譜上的最

27、大能量值。能譜上的最大能量值。 第十章第十章 原子核原子核72原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 （b b）圖表示中微子和剩核在相反方向射出；電子（）圖表示中微子和剩核在相反方向射出；電子（）在垂直方向射出，因而動(dòng)量等于零，能量也就等于零，這是在垂直方向射出，因而動(dòng)量等于零，能量也就等于零，這是能譜中能量等于零的情況。能譜中能量等于零的情況。 （c c）圖表示三個(gè)粒子的動(dòng)量都不等于零，電子取得的能）圖表示三個(gè)粒子的動(dòng)量都不等于零，電子取得的能量決定于三個(gè)粒子的角度關(guān)系，電子的能量一定在（量決定于三個(gè)粒子的角度關(guān)系，電子的能量一

28、定在（a a）、）、（b b）兩個(gè)極端情況之間，而且從統(tǒng)計(jì)考慮，取得中等數(shù)值的）兩個(gè)極端情況之間，而且從統(tǒng)計(jì)考慮，取得中等數(shù)值的幾率大，因而這樣的電子數(shù)目多。這就充分說(shuō)明了幾率大，因而這樣的電子數(shù)目多。這就充分說(shuō)明了能譜的能譜的情況。情況。第十章第十章 原子核原子核73原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 至于角動(dòng)量問(wèn)題，至于角動(dòng)量問(wèn)題，衰變時(shí)，原子核的質(zhì)量數(shù)不變，那衰變時(shí)，原子核的質(zhì)量數(shù)不變，那么在衰變前后么在衰變前后, , 原子核的角動(dòng)量是的整數(shù)倍或半整數(shù)倍的性原子核的角動(dòng)量是的整數(shù)倍或半整數(shù)倍的性質(zhì)也不會(huì)變。而電子的自旋量

29、子數(shù)是質(zhì)也不會(huì)變。而電子的自旋量子數(shù)是1/21/2，那么中微子的自旋，那么中微子的自旋量子數(shù)必須是半整數(shù)，把它定為量子數(shù)必須是半整數(shù)，把它定為1/2 1/2 是合理的。這樣，角動(dòng)是合理的。這樣，角動(dòng)量的問(wèn)題解決了。量的問(wèn)題解決了。 關(guān)于統(tǒng)計(jì)性問(wèn)題，剩核的質(zhì)量數(shù)不變，所以統(tǒng)計(jì)性不變，關(guān)于統(tǒng)計(jì)性問(wèn)題，剩核的質(zhì)量數(shù)不變，所以統(tǒng)計(jì)性不變，電子是費(fèi)米子，要求中微子也是費(fèi)米子，這樣統(tǒng)計(jì)性問(wèn)題也電子是費(fèi)米子，要求中微子也是費(fèi)米子，這樣統(tǒng)計(jì)性問(wèn)題也解決了。解決了。第十章第十章 原子核原子核74原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核75原子物理學(xué)

30、10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核76原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 4、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核77原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（1 1）衰變方程）衰變方程 處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過(guò)發(fā)射處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過(guò)發(fā)射射線躍遷到基態(tài)，射線躍遷到基態(tài)，射線是光子。其衰變方程為：射線是光子。其衰變方程為： 第十章第十章 原子核原子核()AAZZXXg+光子78原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（1 1

31、）衰變方程）衰變方程 射線的能量可以用不同方法測(cè)量，能量較低的可以用射線的能量可以用不同方法測(cè)量，能量較低的可以用晶體中衍射的方法，如同測(cè)量晶體中衍射的方法，如同測(cè)量X X 射線的能量那樣。原子核能射線的能量那樣。原子核能級(jí)的躍遷實(shí)質(zhì)上是它里邊電荷分布的變動(dòng)或電流的變動(dòng)。電級(jí)的躍遷實(shí)質(zhì)上是它里邊電荷分布的變動(dòng)或電流的變動(dòng)。電荷的分布可以用電偶極子、四極子等來(lái)描述。所以荷的分布可以用電偶極子、四極子等來(lái)描述。所以射線可射線可以用原子核的電和磁的多極子輻射來(lái)描述。以用原子核的電和磁的多極子輻射來(lái)描述。第十章第十章 原子核原子核79原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5

32、、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核的輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律第十章第十章 原子核原子核80原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核的輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律第十章第十章 原子核原子核81原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核的輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律第十章第十章 原子核原子核82原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核

33、的輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律輻射躍遷遵循的三個(gè)守恒定律宇稱(chēng)守恒宇稱(chēng)守恒 原子核的宇稱(chēng)在發(fā)射原子核的宇稱(chēng)在發(fā)射射線時(shí)其奇偶性要變還是不變，這可射線時(shí)其奇偶性要變還是不變，這可歸納如下表。歸納如下表。第十章第十章 原子核原子核83原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（3 3）內(nèi)變換）內(nèi)變換 原子核中還是有非輻射躍遷的，其中之一就是內(nèi)變換。原子核中還是有非輻射躍遷的，其中之一就是內(nèi)變換。射線譜中，有時(shí)除經(jīng)常的連續(xù)射線譜中，有時(shí)除經(jīng)常的連續(xù)譜外，還觀察到一些尖銳譜外，還觀察到一些尖銳的譜線，這些是具有單值能量的電子。經(jīng)研究，知道這些電的譜線，這些是具有單值能量

34、的電子。經(jīng)研究，知道這些電子來(lái)源于核外電子層。內(nèi)變換過(guò)程中，核外電子是直接從原子來(lái)源于核外電子層。內(nèi)變換過(guò)程中，核外電子是直接從原子核取得能量的。子核取得能量的。第十章第十章 原子核原子核84原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核85原子物理學(xué)10.2 10.2 原子核的放射衰變?cè)雍说姆派渌プ? 5、衰變衰變（5 5）同質(zhì)異能素）同質(zhì)異能素 有些具有相同質(zhì)量數(shù)有些具有相同質(zhì)量數(shù)A A和電荷數(shù)和電荷數(shù)Z Z的原子核有明顯不同的的原子核有明顯不同的放射半衰期，這些稱(chēng)為同質(zhì)異能素。其實(shí)這是處于不同激發(fā)放射半衰期，這些稱(chēng)為同質(zhì)異能素。

35、其實(shí)這是處于不同激發(fā)態(tài)的同一種原子核。習(xí)慣上把那些半衰期足夠長(zhǎng)因而測(cè)得出態(tài)的同一種原子核。習(xí)慣上把那些半衰期足夠長(zhǎng)因而測(cè)得出的激發(fā)態(tài)稱(chēng)作同質(zhì)異能態(tài)。的激發(fā)態(tài)稱(chēng)作同質(zhì)異能態(tài)。 作業(yè)：作業(yè)：P369 3P369 3。第十章第十章 原子核原子核86原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用 帶電快速粒子和光子同實(shí)物能發(fā)生相互作用，從而可帶電快速粒子和光子同實(shí)物能發(fā)生相互作用，從而可以研究射線的性質(zhì)和其發(fā)射過(guò)程。這些作用也是觀察射線以研究射線的性質(zhì)和其發(fā)射過(guò)程。這些作用也是觀察射線方法的基礎(chǔ)。正因射線同實(shí)物的相互作用，各種射線及其方法的基礎(chǔ)。正因

36、射線同實(shí)物的相互作用，各種射線及其發(fā)射物在生產(chǎn)上和科學(xué)研究工作中有廣泛的應(yīng)用。發(fā)射物在生產(chǎn)上和科學(xué)研究工作中有廣泛的應(yīng)用。第十章第十章 原子核原子核87原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用 本段討論質(zhì)子、氘核、本段討論質(zhì)子、氘核、粒子和類(lèi)似的帶電粒子被吸粒子和類(lèi)似的帶電粒子被吸收的情況。收的情況。 具有一定能量的重粒子，具有一定能量的重粒子，例如例如粒子，在實(shí)物中有一粒子，在實(shí)物中有一定的射程。圖定的射程。圖10.810.8是是RaCRaC的的射線在云室中的徑跡。射線在云

37、室中的徑跡。 第十章第十章 原子核原子核88原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用 用計(jì)數(shù)器也可以計(jì)取用計(jì)數(shù)器也可以計(jì)取粒子的數(shù)目。這類(lèi)觀測(cè)方法都粒子的數(shù)目。這類(lèi)觀測(cè)方法都是利用是利用粒子在它的路徑中對(duì)物質(zhì)的原子、分子發(fā)生碰撞粒子在它的路徑中對(duì)物質(zhì)的原子、分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生激發(fā)和電離作用，由此產(chǎn)生的離子在直接觀察的儀而產(chǎn)生激發(fā)和電離作用，由此產(chǎn)生的離子在直接觀察的儀器中能顯示出粒子的徑跡，在計(jì)數(shù)器中發(fā)生計(jì)數(shù)作用。器中能顯示出粒子的徑跡，在計(jì)數(shù)器中發(fā)生計(jì)數(shù)作用。粒粒子有一定的

38、射程說(shuō)明在路徑中粒子逐漸失去能量，最后能子有一定的射程說(shuō)明在路徑中粒子逐漸失去能量，最后能量損失完，速度減到零，就不再前進(jìn)，達(dá)到了射程的末端量損失完，速度減到零，就不再前進(jìn)，達(dá)到了射程的末端。所以所以對(duì)同一類(lèi)粒子，能量大的射程長(zhǎng)對(duì)同一類(lèi)粒子，能量大的射程長(zhǎng)。 第十章第十章 原子核原子核89原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用 粒子在空氣中時(shí)，其路徑粒子在空氣中時(shí)，其路徑各點(diǎn)的速度和單位長(zhǎng)度中產(chǎn)生的各點(diǎn)的速度和單位長(zhǎng)度中產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)均可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出。離子對(duì)數(shù)均可以用實(shí)

39、驗(yàn)方法測(cè)出。圖圖10.910.9是是粒子在粒子在1515和和1 1大氣大氣壓的空氣中的速度和電離量的變壓的空氣中的速度和電離量的變化?；?。 第十章第十章 原子核原子核90原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用 圖中橫坐標(biāo)標(biāo)出圖中橫坐標(biāo)標(biāo)出剩余射程剩余射程，這是指，這是指在路徑中從測(cè)得上在路徑中從測(cè)得上述兩種量的某一點(diǎn)起還能前進(jìn)的距離述兩種量的某一點(diǎn)起還能前進(jìn)的距離。粒子的射程粒子的射程R R同速同速度度v v和能量和能量E E有下列近似關(guān)系：有下列近似關(guān)系： 各種粒子的射程

40、和能量的關(guān)系可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并用曲線各種粒子的射程和能量的關(guān)系可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并用曲線表示出來(lái)。以后通過(guò)測(cè)定射程就可以知道能量。表示出來(lái)。以后通過(guò)測(cè)定射程就可以知道能量。第十章第十章 原子核原子核33 2RvE檔91原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用 重粒子在單位長(zhǎng)度的徑跡中的能量損失重粒子在單位長(zhǎng)度的徑跡中的能量損失-dE/dx-dE/dx可以從可以從測(cè)出單位長(zhǎng)度上的離子對(duì)數(shù)測(cè)出單位長(zhǎng)度上的離子對(duì)數(shù)n n算得，即算得，即 這里這里是產(chǎn)生一對(duì)離子所需的平均能量。是產(chǎn)生一

41、對(duì)離子所需的平均能量。 第十章第十章 原子核原子核dEndxe-=92原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中，=32.5eV/離子對(duì)。離子對(duì)。-dE/dx從理論可推得從理論可推得式中式中Z是重粒子的電量數(shù)，是重粒子的電量數(shù)，v是它的速度，是它的速度，f（v）在理論中）在理論中可以明確寫(xiě)出。所以如果知道重粒子的電量，那么測(cè)出能可以明確寫(xiě)出。所以如果知道重粒子的電量，那么測(cè)出能量損失量損失-dE/dx就可以得出重粒子的速度。知道能量和速度就可以得出

42、重粒子的速度。知道能量和速度后，也就可以知道粒子的質(zhì)量。后，也就可以知道粒子的質(zhì)量。 第十章第十章 原子核原子核( )2dEZ f vdx-=93原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用1 1、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用、帶電重粒子同實(shí)物的相互作用 又可以證明，對(duì)兩種重粒子，如果速度相同，則又可以證明，對(duì)兩種重粒子，如果速度相同，則所以對(duì)重粒子以測(cè)得射程和單位長(zhǎng)度徑跡中能量的損失為所以對(duì)重粒子以測(cè)得射程和單位長(zhǎng)度徑跡中能量的損失為根據(jù)，可以研究粒子的能量、速度、質(zhì)量、電量等性質(zhì)。根據(jù)，可以研究粒子的能量、速度、質(zhì)量、電量等性質(zhì)。第十章第

43、十章 原子核原子核22212112RMZRM Z=94原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用 電子通過(guò)實(shí)物時(shí)，可以發(fā)生彈性散射、非彈性碰撞電子通過(guò)實(shí)物時(shí)，可以發(fā)生彈性散射、非彈性碰撞（非彈性散射）和軔致輻射。（非彈性散射）和軔致輻射。(1)(1)彈性散射彈性散射 電子射經(jīng)實(shí)物時(shí)，受實(shí)物電荷的庫(kù)侖場(chǎng)的作用，路徑電子射經(jīng)實(shí)物時(shí)，受實(shí)物電荷的庫(kù)侖場(chǎng)的作用，路徑偏離原方向。如果能量不變，這稱(chēng)為偏離原方向。如果能量不變，這稱(chēng)為彈性散射彈性散射。由于電子。由于電子的質(zhì)量比較小，散射現(xiàn)象比較

44、顯著。電子經(jīng)過(guò)實(shí)物如空氣、的質(zhì)量比較小，散射現(xiàn)象比較顯著。電子經(jīng)過(guò)實(shí)物如空氣、液體、金屬薄膜等的情況不同，由于多次散射，累加起來(lái)液體、金屬薄膜等的情況不同，由于多次散射，累加起來(lái)成為大角偏轉(zhuǎn)，所以在原方向前進(jìn)的電子數(shù)目逐漸減少。成為大角偏轉(zhuǎn)，所以在原方向前進(jìn)的電子數(shù)目逐漸減少。這與重粒子散射不同。這與重粒子散射不同。 第十章第十章 原子核原子核95原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用(1)(1)彈性散射彈性散射 圖10.10顯示粒子散射和電子散射的差別。 第十章第十章 原子核

45、原子核96原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用(2)(2)非彈性碰撞的能量損失非彈性碰撞的能量損失 電子通過(guò)實(shí)物時(shí)，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，在這些過(guò)電子通過(guò)實(shí)物時(shí)，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，在這些過(guò)程中電子失去能量，這稱(chēng)為程中電子失去能量，這稱(chēng)為非彈性碰撞非彈性碰撞（或（或非彈性散射非彈性散射）。）。這種能量損失與電子所具有的這種能量損失與電子所具有的能量大小有關(guān)。如圖能量大小有關(guān)。如圖10.1110.11中曲中曲線線(1)(1)所示。所示。 第十章第十章 原子核原子核97原子物理

46、學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用(2)(2)非彈性碰撞的能量損失非彈性碰撞的能量損失 能量較小時(shí)（大約在能量較小時(shí)（大約在2MeV2MeV以下以下) )，單位距離中能量的損，單位距離中能量的損失與速度的平方成反比。隨電子能量的增加，損失減到最失與速度的平方成反比。隨電子能量的增加，損失減到最低值。到了相對(duì)論性能量值，損失又略上升。低值。到了相對(duì)論性能量值，損失又略上升。 重粒子的碰撞損失與電子的相仿，有相似形狀的曲線。重粒子的碰撞損失與電子的相仿，有相似形狀的曲線。第十章第十章

47、原子核原子核98原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用(2)(2)非彈性碰撞的能量損失非彈性碰撞的能量損失 曲線表示的最低損失與粒子的質(zhì)量無(wú)關(guān)，只與電荷有曲線表示的最低損失與粒子的質(zhì)量無(wú)關(guān)，只與電荷有關(guān)關(guān)。因此如果電荷相同，不同質(zhì)量的粒子的最低能量損失。因此如果電荷相同，不同質(zhì)量的粒子的最低能量損失值是相同的，所以在云室、氣泡室、乳膠中，具有相對(duì)論值是相同的，所以在云室、氣泡室、乳膠中，具有相對(duì)論性能量的質(zhì)子和電子的徑跡是難以分辨的。性能量的質(zhì)子和電子的徑跡是難以分辨的。 第十

48、章第十章 原子核原子核99原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用(3)(3)由于軔致輻射的能量損失由于軔致輻射的能量損失 電子經(jīng)過(guò)原子核附近，由于受庫(kù)侖場(chǎng)的作用而產(chǎn)生加電子經(jīng)過(guò)原子核附近，由于受庫(kù)侖場(chǎng)的作用而產(chǎn)生加速度，這樣，電子就有電磁輻射。這樣的輻射損失只有電速度，這樣，電子就有電磁輻射。這樣的輻射損失只有電子能量較高時(shí)才顯出來(lái)。如圖子能量較高時(shí)才顯出來(lái)。如圖10.1110.11曲線曲線(2)(2)所示。所示。 實(shí)驗(yàn)和理論表明，實(shí)驗(yàn)和理論表明，輻射損失隨吸收物的原子序數(shù)輻射

49、損失隨吸收物的原子序數(shù)Z Z的增的增加而增加，隨電子的能量的增加而增加加而增加，隨電子的能量的增加而增加。對(duì)重粒子有相仿。對(duì)重粒子有相仿的規(guī)律。但這樣的能量損失是隨粒子質(zhì)量的增加而減低的，的規(guī)律。但這樣的能量損失是隨粒子質(zhì)量的增加而減低的，所以所以對(duì)重粒子這損失是相當(dāng)微小對(duì)重粒子這損失是相當(dāng)微小的。的。 第十章第十章 原子核原子核100原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用（4 4）電子的能量和射程）電子的能量和射程 由于多次散射，具有同一能量的電子通過(guò)吸收物時(shí)也由于多次散射，

50、具有同一能量的電子通過(guò)吸收物時(shí)也要逐漸減少。減少的情況可以近似地表達(dá)如下：要逐漸減少。減少的情況可以近似地表達(dá)如下：式中式中 為初進(jìn)吸收物的電子數(shù)目，為初進(jìn)吸收物的電子數(shù)目，N N為通過(guò)厚度為為通過(guò)厚度為d d的電子的電子數(shù)目。這些電子數(shù)目可以用計(jì)數(shù)器測(cè)出。數(shù)目。這些電子數(shù)目可以用計(jì)數(shù)器測(cè)出。 第十章第十章 原子核原子核0dNN em-=0N101原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用（4 4）電子的能量和射程）電子的能量和射程具有相同能量的電子雖不象重粒子有相同的射程，但它的

51、具有相同能量的電子雖不象重粒子有相同的射程，但它的最大射程是有一確定值的。取上式對(duì)數(shù)，即有最大射程是有一確定值的。取上式對(duì)數(shù)，即有 把把 對(duì)對(duì)d d作圖，應(yīng)得一直線。根作圖，應(yīng)得一直線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，有一段是直線，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，有一段是直線，把這直線延長(zhǎng)截本底上一點(diǎn)，就是把這直線延長(zhǎng)截本底上一點(diǎn)，就是最大射程最大射程R R（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖10.12)10.12)。 第十章第十章 原子核原子核0lnlnNNdm=-ln N102原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用2 2、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用、快速電子對(duì)實(shí)物的相互作用（4 4）電

52、子的能量和射程）電子的能量和射程 對(duì)不同能量的射線，用這方法求得相應(yīng)的射程，就可作出能量與射程關(guān)系的曲線圖（如圖10.13)，以后可以用此圖由射程求電子能量。 第十章第十章 原子核原子核103原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用第十章第十章 原子核原子核104原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 射線在實(shí)物中的衰減的原因有兩種：一種是真的吸射線在實(shí)物中的衰減的原因有兩種：一種是真的吸收

53、，另一種是散射。因此收，另一種是散射。因此 (10.3-2)(10.3-2)是吸收系數(shù)，是吸收系數(shù)，是散射系數(shù)。是散射系數(shù)。第十章第十章 原子核原子核mtt=+105原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用（1）截面的概念）截面的概念 設(shè)有一束設(shè)有一束射線垂直射在一片吸收物的面上，如圖射線垂直射在一片吸收物的面上，如圖10.14所示。吸收物的厚度為所示。吸收物的厚度為x，設(shè)吸收物的單位體積中有，設(shè)吸收物的單位體積中有N粒原粒原子。如果子。如果射線束的橫截面為射線束的橫截面為A，那么，那么它經(jīng)過(guò)

54、那片吸收物會(huì)遇到粒原子。設(shè)每它經(jīng)過(guò)那片吸收物會(huì)遇到粒原子。設(shè)每一原子擋住一原子擋住射線的面積為射線的面積為，稱(chēng)為原，稱(chēng)為原子截面。那么遮擋這束子截面。那么遮擋這束射線的總面積射線的總面積是是 。 第十章第十章 原子核原子核NNA xssD=D106原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 第十章第十章 原子核原子核107原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 第十章第十章 原子核原子核108

55、原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用（2 2）吸收物對(duì)光子的吸收）吸收物對(duì)光子的吸收 第十章第十章 原子核原子核109原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 光子能量超過(guò)光子能量超過(guò)1.02MeV時(shí)，在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)中有可時(shí)，在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)中有可能被吸收而產(chǎn)生一對(duì)電子，正負(fù)各一。同一粒電子的質(zhì)量能被吸收而產(chǎn)生一對(duì)電子，正負(fù)各一。同一粒電子的質(zhì)量相聯(lián)系的能量是相聯(lián)系的能量是0.51MeV

56、，所以產(chǎn)生一對(duì)電子至少需要，所以產(chǎn)生一對(duì)電子至少需要1.02MeV的能量。如果要觀察到這個(gè)現(xiàn)象，電子還需要具的能量。如果要觀察到這個(gè)現(xiàn)象，電子還需要具有動(dòng)能才能飛出，所以需要光子的能量比有動(dòng)能才能飛出，所以需要光子的能量比1.02MeV要大。要大。產(chǎn)生的幾率是隨光子能量增加的。產(chǎn)生的幾率是隨光子能量增加的。 第十章第十章 原子核原子核110原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮优夹枰芰亢蛣?dòng)量同時(shí)守恒。孤立的光子光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮优夹枰芰亢蛣?dòng)量同時(shí)守恒。孤立的光子不能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)

57、電子，因?yàn)槟芰亢蛣?dòng)量不能同時(shí)守恒。所以產(chǎn)不能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)電子，因?yàn)槟芰亢蛣?dòng)量不能同時(shí)守恒。所以產(chǎn)生電子偶必須在另一個(gè)粒子附近，例如原子核。生電子偶必須在另一個(gè)粒子附近，例如原子核。 對(duì)光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)正負(fù)電子，或相反的過(guò)程，有人說(shuō)成是對(duì)光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)正負(fù)電子，或相反的過(guò)程，有人說(shuō)成是質(zhì)量和能量相互轉(zhuǎn)變，或甚至說(shuō)是物質(zhì)和能量的相互轉(zhuǎn)變質(zhì)量和能量相互轉(zhuǎn)變，或甚至說(shuō)是物質(zhì)和能量的相互轉(zhuǎn)變, ,這這是不正確的。光子和電子都是物質(zhì)，它們的相互轉(zhuǎn)變只是物質(zhì)是不正確的。光子和電子都是物質(zhì)，它們的相互轉(zhuǎn)變只是物質(zhì)形式的轉(zhuǎn)變，是場(chǎng)和實(shí)物的轉(zhuǎn)變，而場(chǎng)和實(shí)物都是物質(zhì)。至于形式的轉(zhuǎn)變，是場(chǎng)和實(shí)物的轉(zhuǎn)變，而場(chǎng)和實(shí)物都是物質(zhì)

58、。至于質(zhì)量和能量，在光子和電子轉(zhuǎn)變前后是相等的，質(zhì)量和相聯(lián)系質(zhì)量和能量，在光子和電子轉(zhuǎn)變前后是相等的，質(zhì)量和相聯(lián)系的能量都是守恒的。的能量都是守恒的。第十章第十章 原子核原子核111原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3 3、射線同實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 相反的過(guò)程也曾觀察到，就是一對(duì)正負(fù)電子相遇，可以湮相反的過(guò)程也曾觀察到，就是一對(duì)正負(fù)電子相遇，可以湮沒(méi)而成為光子。在湮沒(méi)前，一對(duì)正負(fù)電子先構(gòu)成一個(gè)如同氫原沒(méi)而成為光子。在湮沒(méi)前，一對(duì)正負(fù)電子先構(gòu)成一個(gè)如同氫原子那樣的體系，稱(chēng)為子那樣的體系，稱(chēng)為電子偶素電子偶素。在電子偶

59、素中，二電子的自旋。在電子偶素中，二電子的自旋可能同向或反向，電子自旋同向的情形稱(chēng)可能同向或反向，電子自旋同向的情形稱(chēng)正電子偶素正電子偶素，平均壽，平均壽命是命是 秒，電子湮沒(méi)時(shí)放出三個(gè)光子。自旋反向的情形稱(chēng)秒，電子湮沒(méi)時(shí)放出三個(gè)光子。自旋反向的情形稱(chēng)仲仲電子偶素電子偶素，平均壽命是，平均壽命是 秒，電子湮沒(méi)時(shí)放出兩個(gè)光子。三秒，電子湮沒(méi)時(shí)放出兩個(gè)光子。三個(gè)和兩個(gè)光子的不同是由于角動(dòng)量守恒的要求。個(gè)和兩個(gè)光子的不同是由于角動(dòng)量守恒的要求。第十章第十章 原子核原子核710-1010-112原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用3、射線同

60、實(shí)物的相互作用射線同實(shí)物的相互作用 射線在實(shí)物中三種吸收過(guò)程隨射線能量的變化如圖射線在實(shí)物中三種吸收過(guò)程隨射線能量的變化如圖10.1510.15所示。我們可以看到光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)這兩種方式所示。我們可以看到光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)這兩種方式的光子能量的被吸收隨射線能量的光子能量的被吸收隨射線能量的增加而減弱。電子偶的出現(xiàn)在的增加而減弱。電子偶的出現(xiàn)在光子能量高出光子能量高出1.02MeV1.02MeV以后，而以后，而且這個(gè)方式的吸收隨射線能量增且這個(gè)方式的吸收隨射線能量增加而增加。加而增加。第十章第十章 原子核原子核113原子物理學(xué)10.3 10.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)