核物理基礎(chǔ)與輻射防護(hù)2課件

1、核物理基礎(chǔ)與輻射防護(hù)2課件核物理基礎(chǔ)與輻射防護(hù)2課件 1896年，Becquerel（獲1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)）在鈾礦物中發(fā)現(xiàn)射線。 分別叫做、射線。 1、 射線是氦核，帶正電荷，貫穿本領(lǐng)??； 2、 射線是高速電子流，帶負(fù)電，貫穿本領(lǐng)較大； 3、 射線是波長很短的電磁波，貫穿本領(lǐng)大。在磁場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)，射線有三種成份： 一種在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，與帶正電荷離子流相同； 一種在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，與帶負(fù)電荷離子流相同； 一種在磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)。(18521908)2009-05-302 1896年，Becquerel（獲1903年諾貝爾物理、輻射的穿透能力2009-05-303、輻射的穿透能力2009-05-305 放射

2、性現(xiàn)象與原子核的衰變密切相關(guān)。 原子核的衰變：在沒有外界影響的情況下，原子核自發(fā)地發(fā)射粒子并發(fā)生改變的現(xiàn)象。 能自發(fā)地發(fā)射各種射線的核素稱為放射性核素，也稱為不穩(wěn)定核素。 放射性現(xiàn)象是由原子核的變化引起的，與核外電子狀態(tài)的改變關(guān)系很小。 原子核自發(fā)地發(fā)射各種射線的現(xiàn)象，稱為放射性。2009-05-304 放射性現(xiàn)象與原子核的衰變密切相關(guān)。 能自發(fā)地發(fā)射各原子核衰變的主要方式 衰變 衰變(包括衰變、衰變和電子俘獲EC) 衰變(或躍遷)(包括內(nèi)轉(zhuǎn)換IC) 中子發(fā)射、質(zhì)子發(fā)射、重核的自發(fā)裂變等2009-05-305原子核衰變的主要方式2009-05-3072.1 放射性衰變的基本規(guī)律A、放射源中的原

3、子核數(shù)目巨大。B、放射性原子核是全同的。C、放射性衰變是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過程。 不能預(yù)測(cè)某一原子核的衰變時(shí)刻，但可以統(tǒng)計(jì)得到放射源中總的放射性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；具體到每個(gè)放射性原子核的衰變來說，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一個(gè)隨機(jī)事件，可以用衰變概率表示。2009-05-3062.1 放射性衰變的基本規(guī)律A、放射源中的原子核數(shù)目巨大。1、放射性的指數(shù)衰減規(guī)律由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：設(shè)：t 時(shí)刻放射性原子核的數(shù)目為N(t)，求解t t+dt 內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)目-dN(t)，它應(yīng)該正比于N(t) 和時(shí)間間隔dt ，于是有：2009-05-3071、放射性的指數(shù)衰減規(guī)律由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考

4、慮衰減規(guī)律：(1)、衰變常數(shù)分子表示：t 時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作t 時(shí)刻放射性原子核總數(shù)衰變常數(shù)：一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。2、放射性核素的特征量量綱為：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a 衰變率：2009-05-308(1)、衰變常數(shù)分子表示：t 時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目(2)、半衰期 T1/2放射性核數(shù)衰變一半所需的時(shí)間，記為T1/2 。即：量綱為：t,如s，h，d，a2009-05-309(2)、半衰期 T1/2放射性核數(shù)衰變一半所需的時(shí)間，記為T(3)、平均壽命 ：平均壽命 總壽命 / 總核數(shù)在 tt+dt 時(shí)間內(nèi)衰變的原子核數(shù)為：這些

5、核的壽命均為 t，它們的總壽命為：而 t 可能的取值為 ：0，所以所有核的總壽命為：因此，平均壽命：2009-05-3010(3)、平均壽命 ：平均壽命 總壽命 / 總核數(shù)在 t(1)、放射性活度 (Activity)即：定義：則： 活度定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。以A表示，表征放射源的強(qiáng)弱。3、放射性活度及其單位 放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，而且和核衰變的具體情況直接相關(guān)。一般情況，核率變數(shù)不等于發(fā)出粒子數(shù)。射線強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)放出某種射線的個(gè)數(shù)。2009-05-3011(1)、放射性活度 (Activity)即：定義：則： (2)、活度單位常用單位居里(Ci)：

6、法定計(jì)量單位為貝可(Bq)：較小的單位還有毫居(mCi)和微居(Ci)2009-05-3012(2)、活度單位常用單位居里(Ci)：法定計(jì)量單位為貝可(B(3)、活度單位與其他幾個(gè)單位的比較活度單位其他單位單位居里(Ci)貝可(Bq)倫琴(R)拉德(rad)戈瑞(Gr)定義放射性物質(zhì)1s發(fā)生3.71010次核衰變?yōu)? Ci放射性物質(zhì)1s內(nèi)發(fā)生1次核衰變?yōu)?1 Bq使1kg空氣中產(chǎn)生2.5810-4 C的電量的輻射量1g受照射物質(zhì)吸收10-5 J的輻射能量為1rad1 kg受照射物質(zhì)吸收1 J的輻射能量為1 Gr物理意義反映放射性的強(qiáng)弱由放射性物質(zhì)本身決定。反映放射性物質(zhì)產(chǎn)生的射線對(duì)其他物質(zhì)產(chǎn)生

7、的效應(yīng)大小的量不僅取決于放射性物質(zhì)的強(qiáng)弱，還取決于放射性的特性，以及接受射線的材料的性質(zhì)。2009-05-3013(3)、活度單位與其他幾個(gè)單位的比較活度單位其他單位單位居里(4)、比活度 (Specific Activity)定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量放射源的放射性活度。 比活度反映了放射源中放射性物質(zhì)的純度。即：?jiǎn)挝粸椋築q/g 或 Ci/g2009-05-3014(4)、比活度 (Specific Activity)定義為4、 遞次衰變規(guī)律 許多放射性核素并非一次衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是它們的子核仍有放射性，會(huì)接著衰變 直到衰變的子核為穩(wěn)定核素為止，這樣就產(chǎn)生了多代連續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級(jí)聯(lián)

8、衰變。設(shè)初始條件為：各衰變常數(shù)為：可以求出第 n 個(gè)核素隨時(shí)間的變化規(guī)律：其中，系數(shù)為：2009-05-30154、 遞次衰變規(guī)律 許多放射性核素并非一次衰變就放射性平衡(1)、暫時(shí)平衡 母體A的半衰期不是很長，但比子體B的半衰期長，即或時(shí)， 則在觀察時(shí)間內(nèi)可看出母體 A 放射性的變化，以及子體 B 的核數(shù)目在時(shí)間足夠長之后，將和母體的核數(shù)目建立一固定的比例，此時(shí)子體 B 的變化將按母體的半衰期衰減。這時(shí)建立的平衡叫暫時(shí)平衡。對(duì)于多代連續(xù)放射性衰變： 只要母體A1的衰變常數(shù)1 最小，就會(huì)建立起按A1的半衰期進(jìn)行衰變的暫時(shí)平衡體系。 建立平衡之后，各代放射體的數(shù)量及活度之比不隨時(shí)間變化，且均各代

9、按 1 進(jìn)行衰變。2009-05-3016放射性平衡(1)、暫時(shí)平衡 母體A的半衰期不是很長，但(2)、長期平衡 當(dāng)母體A的半衰期較長，且比子體B的半衰期長得多時(shí)，即或 則在觀察時(shí)間（遠(yuǎn)小于母體A的半衰期）內(nèi)，看不出母體A放射性的變化；在相當(dāng)長時(shí)間以后，子體 B 的核數(shù)目和放射性活度達(dá)到飽和，并且子母體的放射性活度相等。這時(shí)建立的平衡叫長期平衡。對(duì)于多代連續(xù)放射性衰變： 只要母體 A1 的衰變常數(shù) 1 足夠?。ㄇ易钚。?，就會(huì)建立起按A1的半衰期進(jìn)行衰變的長期平衡體系。 各代放射體的數(shù)量之比不隨時(shí)間變化；各代子體的放射性活度都等于母體的放射性活度，且均按 1 進(jìn)行衰變。2009-05-3017(

10、2)、長期平衡 當(dāng)母體A的半衰期較長，且比子體B的半衰(3)、不成平衡逐代衰變當(dāng)母體A的半衰期比子體B的半衰期短時(shí)，即或 這時(shí)建立不起平衡，母體A按指數(shù)規(guī)律較快衰減；而子體B的數(shù)目從零逐步增加，過極大值后較慢衰減，當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)，子體B則按自己的衰變常數(shù)2衰變。這種情況也稱為逐代衰變。對(duì)于多代連續(xù)放射性衰變：如果上代的核素都比下代的核素衰變的快，即有: 那么，隨著時(shí)間的流逝，將會(huì)形成逐代衰變現(xiàn)象。首先是第一代衰變完，接著第二代，第三代，逐代衰變完。而且各自按自己的衰變常數(shù)衰變。2009-05-3018(3)、不成平衡逐代衰變當(dāng)母體A的半衰期比子體B的半衰期小結(jié)： 經(jīng)過足夠長時(shí)間之后，多代連續(xù)放

11、射性衰變過程將出現(xiàn)暫時(shí)平衡、長期平衡或逐代衰變等現(xiàn)象。實(shí)際往往三種交織在一起。 母核衰變比子核衰變快的，母核就按逐代衰變先衰變掉了；如果這個(gè)子核比下一代子核衰變慢，則形成暫時(shí)平衡。暫時(shí)平衡體系總要衰變掉，這樣下去，總會(huì)出現(xiàn)半衰期最長的核素形成長期平衡。地球上目前存在的放射系就是衰變留下的處于長期平衡的多代連續(xù)衰變體系。2009-05-3019小結(jié)： 經(jīng)過足夠長時(shí)間之后，多代連續(xù)放射性衰變過程將出放射系 地球的年齡大約有10億年。經(jīng)過漫長的時(shí)間后，還能保存下來的天然放射系，其母核(或衰變鏈中的子核)的半衰期都很長，要和地球年齡相近或更長，目前發(fā)現(xiàn)地球上還存在著三個(gè)天然放射系，分別為：釷系， 鈾系

12、 和 錒系2009-05-3020放射系 地球的年齡大約有10億年。經(jīng)過漫長的時(shí)間后，還(1)、釷系（4n系）釷系從 開始，經(jīng)過連續(xù)10次衰變，最后到達(dá)穩(wěn)定核素是4的整數(shù)倍的質(zhì)量數(shù)子體中半衰期最長為5.75a，所以釷系建立起長期平衡需要幾十年時(shí)間。(2)、鈾系（4n+2系）鈾系從 開始，經(jīng)過連續(xù)14次衰變，最后到達(dá)穩(wěn)定核素是4的整數(shù)倍+2的質(zhì)量數(shù)子體中半衰期最長為2.45105a，所以鈾系建立起長期平衡需要幾百萬年時(shí)間。2009-05-3021(1)、釷系（4n系）釷系從 開始，經(jīng)過連續(xù)10(3)、錒系（4n+3系）錒系從 開始，經(jīng)過連續(xù)11次衰變，最后到達(dá)穩(wěn)定核素是4的整數(shù)倍+3的質(zhì)量數(shù)子體

13、中半衰期最長為3.28104a，所以錒系建立起長期平衡需要幾十萬年時(shí)間。(4)、（4n+1系）镎系是4的整數(shù)倍+1的質(zhì)量數(shù)天然放射系中缺少4n+1放射系，人工造成。镎系從 開始，經(jīng)過連續(xù)11次衰變，最后到達(dá)穩(wěn)定核素 。 半衰期2.14106a比地球年齡小很多2009-05-3022(3)、錒系（4n+3系）錒系從 開始，經(jīng)過連續(xù)5、 放射性規(guī)律的應(yīng)用 放射性的應(yīng)用很廣泛，這里只討論衰變規(guī)律本身的應(yīng)用例子。(1)、放射源活度修正(2)、確定放射源活度和制備時(shí)間(3)、確定放射源性質(zhì)(4)、確定遠(yuǎn)期年代(5)、短壽命核素發(fā)生器2009-05-30235、 放射性規(guī)律的應(yīng)用 放射性的應(yīng)用很廣泛，這里

14、(1)、放射源活度修正 典型應(yīng)用：已知一個(gè)放射源某時(shí)的活度，求現(xiàn)在的活度。根據(jù)： 若放射源已知，則 已知，根據(jù)已知條件 A(0) 和 t 可以求出現(xiàn)在或某時(shí)該源的活度。2009-05-3024(1)、放射源活度修正 典型應(yīng)用：已知一個(gè)放射源某時(shí)的例：?jiǎn)我环派湫院怂?37Cs ，1984年3月9日制備時(shí)的質(zhì)量為 W=2105g。已知137Cs的原子量 A=136.907，半衰期T1/2=30.17年。 請(qǐng)計(jì)算該源20年后的放射性活度。先來計(jì)算1984年源制備時(shí)的137Cs核數(shù)，解：根據(jù)：2009-05-3025例：?jiǎn)我环派湫院怂?37Cs ，1984年3月9日制備時(shí)的質(zhì)1984年137Cs源的放

15、射性活度：20年后137Cs源的放射性活度：137Cs的衰變常數(shù)： 137Cs源經(jīng)過20年，其放射性活度減弱為原來的63。2009-05-30261984年137Cs源的放射性活度：20年后137Cs源的放(2)、確定放射源活度和制備時(shí)間 典型應(yīng)用：在人工制備放射源時(shí)，確定制備的源的活度和最佳制備時(shí)間。 地球上的1600多種放射性核素大部分是人工制造的，如：核燃料239Pu，強(qiáng)中子物質(zhì)252Cf等。反應(yīng)堆制備(豐中子核素)： 強(qiáng)中子流照射靶核，靶核俘獲中子生成放射性核； 反應(yīng)堆中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素。加速器制備(缺中子核素)： 主要通過帶電粒子核反應(yīng)獲得反應(yīng)生成核。200

16、9-05-3027(2)、確定放射源活度和制備時(shí)間 典型應(yīng)用：在人工制備 若在人工制備放射源時(shí)，帶電粒子束或中子束的強(qiáng)度是一定的，則放射性核素的產(chǎn)生率P也是恒定的，而源在制備過程中同時(shí)又在衰變。因此放射性核素的變化率為:利用初始條件t =0時(shí)，N(t)=0，解方程得：2009-05-3028 若在人工制備放射源時(shí)，帶電粒子束或中子束的強(qiáng)度是一定 若要 A(t) 達(dá)到 P 的99，則需要時(shí)間為t = 6.65 T1/2。則活度為：定義：飽和因子S，人工放射性生長曲線人工放射性活度隨時(shí)間的變化 ：t/T1/20.5123456A/P0.2930.5000.7500.8750.9380.9690.9

17、852009-05-3029 若要 A(t) 達(dá)到 P 的99，則需要時(shí)間為t (3)、確定放射源性質(zhì) 典型應(yīng)用：在人工制備放射源時(shí)，確定其組成是很重要的，因這和其放射性活度及輻射的粒子密切相關(guān)。這個(gè)過程會(huì)達(dá)到長期平衡，平衡后，原純90Sr源，變?yōu)?0Sr和90Y共存的源，并以母核的半衰期衰變。這時(shí)源活度是純90Sr源的兩倍，發(fā)射的粒子能量也有了變化。由于：例如要制備 放射源，2009-05-3030(3)、確定放射源性質(zhì) 典型應(yīng)用：在人工制備放射源時(shí)，(4)、放射性鑒年法確定遠(yuǎn)期年代(1)、14C斷代年代法14C: 具有放射性，半衰期 5730 年。主要用于考古學(xué)中的年代測(cè)定。14C從哪來的

18、？大氣中：活生物體內(nèi)的12C與14C含量之比與大氣中相當(dāng)。宇宙射線與大氣層中核發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生中子。 2009-05-3031(4)、放射性鑒年法確定遠(yuǎn)期年代(1)、14C斷代年代法可以算得： 1g有生命機(jī)體的C中含14C約61010個(gè)，每分鐘發(fā)生衰變的14C約14個(gè)。 當(dāng)生命結(jié)束后，生物體停止與大氣的C交換。其體內(nèi)14C不斷衰變，數(shù)目不斷減少。而其體內(nèi)12C的數(shù)目保持不變。通過測(cè)量：1、14C的放射性活度， 2、測(cè)量14C核素?cái)?shù)目，都可以測(cè)定生物體死亡距今的年代。加速器質(zhì)譜(AMS)方法可以直接測(cè)量核素的數(shù)目。斷代方法：將古代樣品含量比與現(xiàn)代參考樣品含量比比較，可以確定生物體死亡距今的時(shí)間 t

19、 ：2009-05-3032可以算得： 當(dāng)生命結(jié)束后，生物體停止與大氣的C交換。其體內(nèi)(2)、地質(zhì)放射性鑒年法利用長壽命核素的衰變 早期利用鈾系、錒系等放射系，母體半衰期與地球年齡相當(dāng)；后來發(fā)展利用40K、87Rb等長壽命核素。設(shè)：巖石生成時(shí)刻t0，母核數(shù)Np(t0)，子核數(shù)Nd(t0)=0 測(cè)量時(shí)刻t1，母核數(shù)Np(t1)，子核數(shù)Nd(t1) (穩(wěn)定)2009-05-3033(2)、地質(zhì)放射性鑒年法利用長壽命核素的衰變 早期由方程解得： 由母核衰變常數(shù)、t1時(shí)刻子核母核數(shù)之比，就可求出樣品年代。令2009-05-3034由方程解得： 由母核衰變常數(shù)、t1時(shí)刻子核母核數(shù)之比(5)、短壽命核素發(fā)

20、生器 核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等需要短壽命的放射性核素，如99mTc(T1/2=6.02h)、113mIn(T1/2=104m)等。 問題是：如何將生產(chǎn)的這些短壽命放射性核素運(yùn)輸?shù)结t(yī)院等需要使用它們的地方？“母?！保豪眠B續(xù)衰變系列。 母牛原理：壽命較長的核素不斷產(chǎn)生短壽命子體，需要時(shí)，將子體分離出來，而母體繼續(xù)不斷衰變生長出子體。2009-05-3035(5)、短壽命核素發(fā)生器 核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等需要短壽命的例如： “母牛”。 由于T1/2(99Mo)T1/2(99mTc) ，體系可建立暫時(shí)平衡。 當(dāng) t=tm 時(shí)，子核放射性活度最大，2009-05-3036例如： “母2.2 衰變 衰變：不穩(wěn)定核

21、自發(fā)地放出 粒子而蛻變的過程. 放射性核素一般為重核，質(zhì)量數(shù)140 衰變放出的粒子能量在49 MeV范圍 衰變半衰期范圍很寬，10-7s1015a 衰變基本特點(diǎn)：2009-05-30372.2 衰變 衰變：不穩(wěn)定核自發(fā)地放出 粒子1、衰變能及衰變發(fā)生的條件2、衰變過程中粒子的動(dòng)能3、衰變能與核能級(jí)的關(guān)系4、衰變能與衰變常數(shù)的關(guān)系2009-05-30381、衰變能及衰變發(fā)生的條件2009-05-3040母核X 衰變?yōu)?子核Y 和 一個(gè) a 粒子.1、衰變能及衰變發(fā)生的條件BeforeParent衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：AfterDaughterTYaT衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰

22、變后動(dòng)能2009-05-3039母核X 衰變?yōu)?子核Y 和 一個(gè) a 粒子.1、衰變能及定義：衰變能E0 為 子核Y 和 a 粒子的動(dòng)能之和，也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差即：衰變前后靜止質(zhì)量的質(zhì)量虧損以原子質(zhì)量M代替核質(zhì)量m，并忽略電子結(jié)合能 有或2009-05-3040定義：衰變能E0 為 子核Y 和 a 粒子的動(dòng)能之和，也就 衰變發(fā)生的條件： 衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變后子核原子質(zhì)量和氦原子質(zhì)量之和。2009-05-3041 衰變發(fā)生的條件： 衰變前母核原子質(zhì)量必須大于例如，原子質(zhì)量分別為：209.9829u，205.9745u，4.0026u。M0，E00，可以發(fā)生衰變。又如，原子質(zhì)量

23、分別為：63.9298u，59.9338u，4.0026u。M0，E00，E00，可以發(fā)生衰變。又如，M0，E利用質(zhì)量虧損m的定義： 衰變能還可用質(zhì)量虧損m表示 假設(shè)結(jié)合能隨(Z, A)的變化是平滑的代入結(jié)合能半經(jīng)驗(yàn)公式，可得到衰變能隨(Z, A)的變化關(guān)系E0(Z, A) 穩(wěn)定線上原子核的衰變能隨A的變化曲線2009-05-3043利用質(zhì)量虧損m的定義： 衰變能還可用質(zhì)量虧損m表2、衰變過程中粒子的動(dòng)能衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：BeforeaAfterParentDaughterTYT衰變前，母核X靜止，根據(jù)動(dòng)量守恒定律：2009-05-30442、衰變過程中粒子的動(dòng)能衰變前，母

24、核X靜止，根據(jù)能量守恒那么：所以：可以通過測(cè)量 粒子的能量得到 衰變能。2009-05-3045那么：所以：可以通過測(cè)量 粒子的能量得到 衰變能。203、衰變能與核能級(jí)的關(guān)系ParentaDaughterTY1T1aDaughterTY2T2aDaughterTYnTn 單一能級(jí)衰變的母核的不同衰變能反映了子核有多個(gè)能級(jí)，且能級(jí)能量可以由 衰變能求出。2009-05-30463、衰變能與核能級(jí)的關(guān)系ParentaDaughterTY4、衰變能與衰變常數(shù)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，衰變能與衰變常數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：其中系數(shù)a、b或A、B對(duì)同一元素是常數(shù)。結(jié)論：衰變常數(shù)隨粒子能量劇烈變化。部分偶偶核從基態(tài)到基態(tài)

25、的衰變半衰期與粒子能量的關(guān)系。2009-05-30474、衰變能與衰變常數(shù)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，衰變能與衰變常數(shù)之間即使能量較低，但粒子總有一定概率P穿透勢(shì)壘。雖然動(dòng)能但根據(jù)量子力學(xué)的勢(shì)壘穿透理論，“隧道效應(yīng)”5、衰變機(jī)制在核內(nèi)粒子受到核力吸引，在核外將受到庫侖力的排斥。 2009-05-3048即使能量較低，但粒子總有一定概率P穿透勢(shì)壘。雖然動(dòng)能但根據(jù)2.3 衰變衰變：核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的自發(fā)核衰變過程.衰變基本特點(diǎn)： 放射性核素遍及整個(gè)元素周期表 衰變發(fā)射粒子能量在幾十KeV幾 MeV 衰變半衰期范圍為，10-3s1024a 衰變主要包括-衰變、+衰變和軌道電子俘獲三種形式。2009-05

26、-30492.3 衰變衰變：核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的自發(fā)核衰變1、衰變與中微子理論譜是連續(xù)的20世紀(jì)20年代末的物理學(xué)危機(jī).1、連續(xù)能譜與量子體系及能量守恒定律的矛盾？2、既然核中無電子，那么衰變出的電子從哪里來？2009-05-30501、衰變與中微子理論譜是連續(xù)的20世紀(jì)20年代末的物理學(xué)難題1：如何解決連續(xù)能譜與量子體系的矛盾？假設(shè)1：子核有很多能級(jí)，以至于母核到子核衰變的能譜連續(xù)？ 要求相應(yīng)要有連續(xù)的能譜，與實(shí)驗(yàn)矛盾。假設(shè)2：發(fā)射單能粒子，隨后與軌道電子作用損失能量？ 要求相應(yīng)所有電子總能量都等于最大能量，與實(shí)驗(yàn)矛盾。2009-05-3051難題1：如何解決連續(xù)能譜與量子體系的矛盾？

27、假設(shè)1：子核有很多Pauli 的假設(shè)1930年12月4號(hào)，在一封信中, Pauli 暗示 b 衰變能譜可以通過在衰變中除了b 粒子，還發(fā)射出一個(gè)中性粒子，該粒子自旋為1/2，質(zhì)量很小，與其他物質(zhì)作用截面很小來解釋。他稱這種粒子為 neutron.這個(gè)假設(shè)挽救了 能量、動(dòng)量 和角動(dòng)量守恒定律。 Pauli 直到1933年才正式宣布他的 假說, 這時(shí) Chadwick 發(fā)現(xiàn) neutron 已經(jīng)一年了，這個(gè) neutron 和 Pauli 當(dāng)時(shí)預(yù)言的有很大不同.1934年，Enrico Fermi 用 Pauli的假說 建立了他的 b 衰變的量子理論，并給 Pauli 假設(shè)的粒子命名為 neutr

28、ino.隨后幾年證明，F(xiàn)ermi 理論是對(duì) b 衰變實(shí)驗(yàn)非常成功的解釋. 2009-05-3052Pauli 的假設(shè)1930年12月4號(hào)，在一封信中, Pau新問題是Pauli預(yù)言的粒子存在嗎？1956年，賴因斯和考恩發(fā)現(xiàn)反中微子。1952年，戴維斯在王淦昌的建議下發(fā)現(xiàn)中微子存在的間接證據(jù)。1968年，戴維斯發(fā)現(xiàn)中微子。2009-05-3053新問題是Pauli預(yù)言的粒子存在嗎？1956年，賴因斯和考恩中微子基本性質(zhì)：(1) 電荷為零。(2) 自旋為1/2, 遵從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)。(3) 質(zhì)量0, 質(zhì)量上限不超過7.3eV。(4) 磁矩非常小，上限不超過106N 。 (5) 與物質(zhì)的相互作用非常弱，屬

29、弱相互作用，作用截面 1043cm2，通常物質(zhì)的原子密度n 1022cm3，平均自由程l為：2009-05-3054中微子基本性質(zhì)：(1) 電荷為零。(2) 自旋為1/2, 遵中微子和反中微子： 互為反粒子，有相同的質(zhì)量、電荷、自旋、磁矩。差別： 1. 自旋方向不同； 中微子自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，左旋粒子； 反中微子自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向相同，右旋粒子。 2. 相互作用性質(zhì)不同。2009-05-3055中微子和反中微子：差別：2009-05-3057難題2：解決 衰變中電子的來源問題？Fermi 的 衰變理論(1934)： 中子和質(zhì)子是核子的兩個(gè)不同狀態(tài)，它們之間的轉(zhuǎn)變相當(dāng)于兩個(gè)量子態(tài)之間的躍遷

30、，在躍遷過程中放出電子和中微子，它們事先并不存在于核內(nèi)。 衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)中子變?yōu)橘|(zhì)子， 和 EC的本質(zhì)是一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶樱瑢?dǎo)致產(chǎn)生電子和中微子的是弱相互作用。：EC：2009-05-3056難題2：解決 衰變中電子的來源問題？Fermi 的 2、衰變表達(dá)式：母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個(gè) 電子 和一個(gè)反中微子，核中一個(gè)中子變?yōu)榱速|(zhì)子。衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能2009-05-30572、衰變表達(dá)式：母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個(gè) 電子 和一定義：-衰變能E0 為 反中微子 和 粒子的動(dòng)能之和，也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差。即：衰變前后靜止質(zhì)量的

31、質(zhì)量虧損以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能 有或2009-05-3058定義：-衰變能E0 為 反中微子 和 粒子的動(dòng)能之和， 衰變發(fā)生的條件： 衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變后子核原子質(zhì)量。 電荷數(shù)分別為Z和Z1的同量異位素，只要前者的原子質(zhì)量大于后者，就能發(fā)生-衰變。2009-05-3059 衰變發(fā)生的條件： 衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變3、衰變表達(dá)式：母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個(gè) 正電子 和一個(gè)中微子，核中一個(gè)質(zhì)子變?yōu)榱酥凶?。衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能2009-05-30603、衰變表達(dá)式：母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個(gè) 正電子 和衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能 或：2009-05-3061衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能 或：20 衰變發(fā)生的條件： 電荷數(shù)分別為 Z 和 Z1 的同量異位素，前者的原子質(zhì)量比后者的大兩倍電子質(zhì)量，才能發(fā)生衰變。2009-05-3062 衰變發(fā)生的條件： 電荷數(shù)分別為 Z 和 Z1