第七章：原子核物理概論

第七章原子核物理概論7.1原子核物理的對象1.人們對微觀粒子的認識19世紀，人們對原子的認識：最小的、硬的顆粒均勻分布正電荷發(fā)現(xiàn)電子后對原子的認識：帶正電的原子球，電子嵌在其中1896年，Becquerel發(fā)現(xiàn)鈾的放射現(xiàn)象1897年，Curie夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳1903年，Ruthorford證明放射射線的兩種成分1919年，Ruthorford首次實現(xiàn)人工核反應1911年，Ruthorford模型盧瑟福模型：原子由帶負電的電子和帶正電的原子核組成，原子的大部分質(zhì)量和全部的正電荷集中在原子中極小原子核區(qū)域內(nèi)，帶負電的電子繞核運動。

“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負電的“電子云”組成量子力學建立后人們對原子的認識1932年，Chadwick發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)中子后Heisenberg等人提出原子核由質(zhì)子和中子組成1928年，Dirac預言正電子1931年，Anderson發(fā)現(xiàn)正電子1930年，Pauli中微子假說1934年，JoliotCurie人工放射性1935年，湯川秀樹提出介子理論1934年，F(xiàn)ermi提出粒子反粒子產(chǎn)生湮滅機制1947年，Powell發(fā)現(xiàn)介子1955年，Chamberlain和Segre發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子1955年，楊振寧和李政道提出宇稱不守恒1957年，吳健雄等人實驗驗證宇稱不守恒元素的化學性質(zhì)、光譜特性只與核外電子有關(guān)放射現(xiàn)象只與原子核有關(guān)夸克提出后目前對原子的認識1963年Gell-Mann提出強子結(jié)構(gòu)的夸克模型夸克是強子的組成粒子。夸克共有6種。每種夸克都有相應的反夸克?？淇朔N類（味）上下奇異粲底頂英文updownstrangecharmbottomtop符號udscbt質(zhì)量(MeV)51050015004800?電荷(e)2/3-1/3-1/32/3-1/32/31/21/21/21/21/21/2自旋()重子都由三個夸克組成。介子都由一個夸克和一個反夸克組成。天體之間衰變原子結(jié)合核力舉例一切物體強子、輕子強子強子被作用粒子長程，短程<10-16長程，短程10-15~10-16作用力程/m引力子中間玻色子光子膠子作用傳遞者10-3910-151/1731相對強度引力作用弱作用電磁作用強作用四種相互作用的比較<10-23>10-10特征時間10-20~10-16標準模型世界有什么組成？如何組成？-----標準模型

6種輕子

6種夸克

傳遞力的粒子3.原子核的組成1919年，Ruthorford發(fā)現(xiàn)質(zhì)子1897年，Thomson發(fā)現(xiàn)電子原子核由質(zhì)子和電子組成He原子核由4個質(zhì)子和2個電子組成原子核由質(zhì)子和電子組成假說帶來的問題A=Z+N無法解釋某些核自旋14N原子核14個質(zhì)子，7個電子組成，核自旋為半整數(shù)實驗上14N核自旋為整數(shù)4.核素圖中子數(shù)N為橫坐標，原子序數(shù)Z為縱坐標核素圖中穩(wěn)定核素幾乎都落在一條光滑曲線上或者緊靠曲線的兩側(cè)，這個區(qū)域被稱為核素的穩(wěn)定區(qū)核子依靠核力聚集成原子核，核力為短程力，存在與相鄰核子間質(zhì)子間的庫倫相互作用影響核子的穩(wěn)定性的質(zhì)子泄漏線中子泄漏線穩(wěn)定核素1966年預言Z=114附近超重元素島1974年李政道預言存在穩(wěn)定元素洲7.2核的基態(tài)特征之一：核質(zhì)量1.質(zhì)量差氕氘氚原子核由質(zhì)子和中子組成2.結(jié)合能比結(jié)合能原子平均比結(jié)合能曲線氘的比結(jié)合能兩頭的核素比結(jié)合能小，中等質(zhì)量的核素比結(jié)合能大平均比結(jié)合能8MeV降低核的能量輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核素重核結(jié)分裂為中等質(zhì)量的核素氫彈、恒星原子彈、核反應堆3.半經(jīng)驗質(zhì)量公式理論上給出質(zhì)量公式1935年Weizs?cker依據(jù)核的液滴模型給出半經(jīng)驗公式經(jīng)驗規(guī)律表面能質(zhì)子間的庫倫排斥作用，降低結(jié)合能表面的核子與內(nèi)部核子所處環(huán)境不同表面能大小正比于表面積假設原子核為均勻帶電球體庫倫能4.較完整的質(zhì)量公式Weizsacker公式質(zhì)子、中子成對時核較穩(wěn)定7.3核的基態(tài)特征之一：核力1.一般性質(zhì)①.短程力核力----一個基本問題一種短程力④.與電荷無關(guān)③.強相互作用②.飽和性核力與電荷無關(guān)⑥.與自旋有關(guān)核子相距0.8-2.0fm時，表現(xiàn)為吸引力核子相距小于0.8fm時，表現(xiàn)為排斥力核子相距大于10fm時，核力幾乎完全消失⑤.極短程內(nèi)為斥力核力與自旋相對取向有關(guān)(n-p)散射實驗，發(fā)現(xiàn)np自旋平行和反平行時，散射截面不同2.核力的介子理論力的傳遞為超距作用Faraday力通過場來傳遞現(xiàn)代觀點：力通過物體間時刻不停的交換虛粒子傳遞Feynmann圖1935年，湯川秀樹提出核力的介子理論核力也是一種交換力依據(jù)核力力程估算介子的質(zhì)量Heisenberg不確定關(guān)系和Einstein質(zhì)能方程虛粒子---實驗上無法直接觀測到的媒介粒子介子質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間1935-1937年，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為電子質(zhì)量的207倍的μ子1947年找到真正的參與強相互作用的π介子質(zhì)子中子質(zhì)子中子質(zhì)子7.4核的基態(tài)特征之二：核矩1.核自旋2.核子磁矩1924年P(guān)auli提出原子核具有自旋----整體實驗發(fā)現(xiàn)：偶偶核奇偶核奇奇核Bohr磁子質(zhì)子磁矩波爾核磁子理論預言Stern實驗結(jié)果核子磁矩中子不帶電，中子內(nèi)部有電荷分布與電子類似，磁矩方向與自旋方向相反3.核磁矩（磁偶極矩）基態(tài)氘核的磁矩S態(tài)2.5%考慮核子的軌道磁矩實驗發(fā)現(xiàn)氘核基態(tài)不完全是S態(tài)核子磁矩與磁場的作用類比原子磁矩核磁共振核磁共振的實驗裝置電磁鐵示波器延遲電路射頻振蕩器放大器核磁共振廣泛用于測量核磁矩、電四極矩和自旋等?，F(xiàn)代核磁共振儀的精度可達10-6，許多核磁矩就是用這一方法測得的。其也是目前精確測量磁場強度的重要方法之一。乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振譜核磁共振成像核磁共振成像的優(yōu)點是：射頻電磁波對人體無害，可獲得內(nèi)臟器官的功能狀態(tài)、生理狀態(tài)以及病變狀態(tài)的情況等。神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者頭部的核磁共振斷面像作為對照的同一患者頭部的X射線斷層像人體的核磁共振成像儀示意框圖激發(fā)單元接收單元顯示單元計算機磁體4.電四極矩點電荷e電勢原子核電偶極矩為零氘核基態(tài)不完全是S態(tài)7.5核模型1.液滴模型把原子核看作是一個核電液滴可以很好解釋原子核的裂變現(xiàn)象2.Fermi氣體模型把核子看作是無相互作用的氣體分子每個能級有兩個質(zhì)子（或中子）Fermi能級：基態(tài)時核子可以處的最高能級勢阱中的粒子的能級3.殼層模型MayerJensen1949年殼層模型1963年諾貝爾物理學獎“幻數(shù)”核質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2,8,20,28,50,82和中子數(shù)為126時的原子核特別穩(wěn)定成功的解釋了原子核幻數(shù)、基態(tài)的自旋和宇稱以及衰變等成功應用實例獨立地在一個靜止的平均勢場中運動的假設過于簡化。不能解釋遠離雙幻核區(qū)域的

原子核磁矩、核電四極矩以及

躍遷概率等問題。這表明殼層模型中關(guān)于各核子彼此不足在勢阱中加入自旋—軌道耦合項4.集體模型BohrMottelson1952年提出原子核的集體模型1975年諾貝爾物理學獎在50年代初，丹麥物理學家奧.玻爾等人提出了在考慮單粒子獨立運動的同時，還必須考慮原子核發(fā)生轉(zhuǎn)動和振動等集體運動的新模型—集體模型，或稱為綜合模型。第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律1、放射性的發(fā)現(xiàn)2、射線的成分和性質(zhì)我們曾經(jīng)介紹過，法國物理學家貝克勒爾在X射線的研究中。發(fā)現(xiàn)了放射性，他于1896年2月發(fā)表了關(guān)于某些元素具體放射性的論文緊接著居里夫婦加入了這個研究領域，并于1898年發(fā)現(xiàn)，釷與鈾一樣，也具有放射性，并在這一年又從瀝青鈾礦提煉出放射性更強的元素“釙”和“鐳”；為此，居里夫婦與貝克勒爾共享了1903年的諾貝爾物理獎。為此，居里夫人又因為在這一領域內(nèi)的突出貢獻獲1911年諾貝爾化學獎。衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁對所有的放射性元素放出的射線進行總結(jié)、歸納發(fā)現(xiàn)，射線分為三種，射線是原子核；射線是電子；射線是高能光子。三種射線各有自己的性質(zhì)，射線能使氣體電離，但穿透本領很小；3.衰變規(guī)律及其描述

1)衰變的統(tǒng)計規(guī)律及衰變常數(shù)：衰變是自發(fā)的，對于一個核素來說，何時衰變完全是偶然的，但對大量核就存在著必然的統(tǒng)計規(guī)律。射線電離本領較弱，但有較強的穿透本領；射線幾乎沒有電離本領，但穿透本領很強。第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁設時，未衰變的原子核是個，隨時間的推移，衰變情況如下：

同時考慮到（其中是比例系數(shù)）它的物理意義是單位時間內(nèi)的衰變幾率，它標志著衰變的快慢。時刻尚未衰變的核在時間內(nèi)，有個核衰變，則必有等式兩邊積分得這就是衰變所遵循的統(tǒng)計規(guī)律，程中引入的常數(shù)稱衰變常數(shù)，可以表示為在此式推導過第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁2)半衰期，根據(jù)的定義，可以導出其表達式，在式中，，則t=，即解得可見與期越短不同放射性核素的半衰期是大不相同的原子核數(shù)目減半所經(jīng)歷的時間稱半衰期，記作成反比，衰變常數(shù)越大，半衰。比如。令第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁3)平均壽命對某種放射物來說，有些核早衰變，有些核晚衰變，即有的壽命長，有的壽命短，平均壽命定義為而故亦即將代入衰變表達式得時刻未衰變核數(shù)目為：第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁可見，核的平均壽命比它的半衰期略長一點，它表示，未衰變核為原來核數(shù)目的37%，所經(jīng)歷的時間。4)放射性活度為了表示某放射源的放射性強弱，人們引入放射性活度A，定義為：放射物在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)目，依此定義有第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁A的單位是：可見，放射物的放射性活度也是按指數(shù)規(guī)律衰減的，

，某放射物的A，不僅與它的半衰期有關(guān)，還與t時刻的N有關(guān)?？梢姡珹反映了放射源的強弱。次核衰變/秒1貝克勒爾（Bq）=1次核衰變/秒1居里定義：第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁定義：某放射源的放射性活度A與其質(zhì)量ｍ的比，即

表示了放射源樣品的純度，因為當A一定時,ｍ越小，純度越高，而ｍ越大，純度越低。的放射性活度約為，而目前生產(chǎn)的的比活度為，因此這種不純的要想達到的放射性活度，至少需要1.714克。5)比活度比如，1克純的

第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁6)半衰期的測定作為它的"手印"，通過Ａ的測量可以求得它的先測某一時刻的它的Ａ，再測所經(jīng)歷的時間t，該t就是它的，但是對于特別長的放射物，這種方法是行不通的，對放射性核素來說，是一個很重要的量，由

知，。方法第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁，取１ｍｇ可得Ａ＝740次衰變/min＝12.33Bq由可得故我們可以用如下的方法進行測量。例如，對于測它的Ａ，第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁比如質(zhì)子半衰期解：依題意產(chǎn)次衰變/月＝１次衰變/年，假設每月測到一個質(zhì)子衰變，需要多少水呢？A=1第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁個水分子，而每一個含有10個質(zhì)子，所以18克水中含有個質(zhì)子，所以N個質(zhì)子對應的水質(zhì)量為?可見，要50多噸水，每月才能觀察到1次核衰變。我們知道，的分子量是18，即18克水中含有第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁1． 放射性衰變的位移定則衰變衰變2． 天然放射系，Ｘ稱始祖元素，半衰期最長。其中Ｘ稱為母核，Ｙ稱為子核。某種元素X，經(jīng)放射性衰變，變成B，如果B還是放射性的，又變?yōu)镃，依次下去，直到變?yōu)橐环N穩(wěn)定元素，就不再變了，則一系列元素構(gòu)成一個放射系。衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁該系從（釷）開始經(jīng)6次，4次衰變成

(鉛);該系從(镎)開始經(jīng)7次，4次衰變成（鉍）;該系從(鈾)開始經(jīng)8次，6次衰變成（鉛）；研究發(fā)現(xiàn)，自然界的放射性元素分成四個放射系，它們分別是2）镎系（A=4n+1系）1）釷系（A=4n系）3）鈾系（A=4n+2系）第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章

:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁該系從(鈾)開始經(jīng)7次，4次衰變成（鉛）。由上面的討論我們看到，衰變從始祖元素開始，是連續(xù)發(fā)生的，取一個衰變系中任一元素來看，它一方面從它的母體中得到補充，另一方面又向它的子體衰變。我們定義的過程是一個級聯(lián)衰變。4）錒系（A=4n+3系）以上各系中，4n+x系表示所有核素的A均可表為4的整數(shù)倍加x。注：3.簡單級聯(lián)衰變的規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁在級聯(lián)衰變中，每一級向下的衰變都滿足上述指數(shù)規(guī)律因此故t時刻,A的減少量為B的減少量為考慮到A不斷向B補充，所以B的純“增量”為式中是包括得到補充后，尚未衰變的B核數(shù)目。(1)第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁的一階非齊次上式中我們設上式的特解為該方程是關(guān)于線性方程.根據(jù)微分方程理論，它的通解可看成方程的一個特解和相應齊次方程的通解的迭加。代入得即特解為：第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁齊次方程，當子核壽命遠小于母核壽命時，它的通解為：所以式的通解可以表示為為了滿足初始條件故原方程的通解是此時近似有：第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁即子核與母核有相同的衰變規(guī)律，這為我們保存短壽命子核提供了一個有效方法-母、子同存。上式化為在二千多種核素中，有1600多種是人工方法制造的，人們在生產(chǎn)放射性核素時，生產(chǎn)的同時，衰變也在發(fā)生，怎樣達到一個最佳的產(chǎn)出率呢？一方面，某種核素由于生產(chǎn)在增加，另一方面它也在衰變。4.同位素生產(chǎn)設某時刻未衰變的核為Ｎ，則式中P是人工生產(chǎn)率.第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁這是一階非齊次常微分方程，設方程的一個特解是，代入得，齊次方程的通解為:故上面方程的解為，代入初始條件解得生產(chǎn)出的放射性同位素的放射性活度為由此式可見，時，時，放射性活度A并不隨核反應的繼續(xù)而增加。當后，；第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第七章:原子核物理概論衰變及其統(tǒng)計規(guī)律放射系上一頁下一頁首頁第五節(jié)：衰變衰變發(fā)生的條件及衰變能的測量設衰變過程的母核、子核和粒子的靜質(zhì)量分別是，則衰變前后，系統(tǒng)的總能量差為(1)因為衰變是自發(fā)的，所以要使衰變得以發(fā)生，必須這就是衰變的條件1.衰變條件即(2)衰變條件及其測量核能級第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁由于在許多核素表中給出的是原子質(zhì)量，而不是核質(zhì)量，我們用分別表示相應核素的原子質(zhì)量，則有則(4)所以用原子質(zhì)量表示的衰變條件為(5)(3)（2）式和（5）式在形式上是完全一致的。第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁在衰變過程中，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個單位的正電荷，所以可用如下的方法測量它的能量2.衰變能的測量將源放入磁場中，垂直紙面向里，粒子將作半徑為的圓周運動。設粒子初速度是，則有，粒子能量為實驗中測得，即得粒子的能量。，第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁能譜在上述實驗中，感光底片上得到的并不是一條感光線，而是一組分立的感光線。這些分立的數(shù)值，構(gòu)成了在衰變有兩種能量的粒子：由此可見，從放射源出來的粒子能量是不連續(xù)的一些分立數(shù)值。能譜。中，例如1.衰變條件及其測量核能級第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁上面我們定義的衰變能為即衰變前后系統(tǒng)的質(zhì)量損。再比如在衰變中，有六種能量的粒子出射。事實上，衰變過程中，放出的總能量應該由三部分組成：2.衰變能和核能級：(2)第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁式中是出射粒子的能量，是子核的反沖動能,稱衰變能.當子核到基態(tài)時，，此時的衰變能才等于總衰變能。下面我們尋求的表達式：設衰變前母核靜止，動量為0，則所以子核反沖動能為故（3）式中A是母核質(zhì)量數(shù).第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁在（2）式中，是一定的，取一組分立值時,由（3）式可見相應的有一系列的分立值，因而子核激發(fā)能有一系列分立值，對應的子核到了不同的激發(fā)態(tài).當子核從激發(fā)態(tài)會到基態(tài)時便有光子放出。比如求過程的核能級圖和可能發(fā)射的光子能量。在實驗中測得：第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁所以對應的子核到了基態(tài)，相應的衰變能即為總衰變能相對于子核基態(tài)的高度為4.879MeV，子核激發(fā)態(tài)高度為,即：同理所以實驗中應該能觀察到能量為的光子。這一能量的光子在實驗中的確被測得。第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁右圖通常稱為衰變綱圖；上、下兩條水平線分別為母核和子核的基態(tài)；在這個之間的所有橫線表示子核的各激發(fā)態(tài)，相應的能量標在橫線的一側(cè)；習慣上自母核的能級向左下畫一帶頭的斜線表示衰變，箭頭所指的能級就是衰變中生成的子核所處的能量狀態(tài)。第五節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量核能級上一頁下一頁首頁第六節(jié)：衰變衰變過程中,核子數(shù)不變，所以母核和子核屬同量異位素;根據(jù)衰變過程中放出電子的不同，衰變分為放射性，放射性和軌道電子捕獲(EC)三種類型。衰變能的分布以及衰變面臨的難題因為粒子帶一個單位電荷即所以可以用測量粒子衰變能量一樣的方法測得粒子的能量，衰變能的測量衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁設出射粒子動能為，總能量為，由實驗可以得到粒子的強度與能量分布曲線.則又：解得：測得即得的大小。1)各種能量的粒子都有；2)有一極大值。第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁衰變連續(xù)譜導致了下列無法解釋的難題：衰變面臨的難題1）連續(xù)譜的出現(xiàn)與能量守恒以及核能級量子化相矛盾由衰變知核能級是量子化的，而衰變能是一定的，等于，一定的衰變能在核與粒子之間分配時，若粒子分得的能量是連續(xù)的，那就意味著核能級也是連續(xù)的，如果核能級不連續(xù),那么在沒有核能級的地方，系統(tǒng)能量不守恒；第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁2）與角動量守恒相矛盾核的自旋角動量是由質(zhì)量數(shù)決定的。當為偶數(shù)時，自旋量子數(shù)為整數(shù)，否則為半整數(shù)。在衰變中，是不變的。所以的整數(shù)或半整數(shù)性不變。但電子具有的自旋，因此整個系統(tǒng)的角動量不守恒。除此之外，根據(jù)量子力學的不確定關(guān)系，不允許有電子在核內(nèi)存在； 那么衰變放出的電子是從哪里來的，也是一個很難回答的問題。第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁1930年，泡利針對上述矛盾，大膽地提出了中微子假說。他預言，在衰變的同時，還發(fā)射一個自旋為，不帶電,靜質(zhì)量幾乎為0的粒子。稱其為中微子，引入中微子之后，上述矛盾迎刃而解。并且人們在1956年從實驗中找到了中微子。中微子的靜質(zhì)量幾乎為0--不大于；穿透本領極大，在原子密度為的物質(zhì)中，其平均自由程約為；即使在核物質(zhì)中，平均自由程也達1km，因此，它穿越地球被俘獲的幾率是 ，它的自旋為中微子特性衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁實驗測得，出射粒子的能量是連續(xù)的，核能級是分立的，所以總衰變能在粒子,中微子和子核之間進行分配。分配方案不外乎以下三種情況:引入中微子后，能量的分配方案第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁上面已經(jīng)證明，原子核中是不能存在電子的。因此衰變時的電子是核內(nèi)臨時產(chǎn)生的，在俘獲中，分別發(fā)生如下過程：引入中微子之后，電子的來源第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁衰變的條件及衰變綱圖一般表示：仿照衰變，我們定義這一過程的衰變能為衰變的條件為，即（分別為母核、子核的原子質(zhì)量）由此可見，只有當母核原子的質(zhì)量大于子核原子質(zhì)量時，才有可能發(fā)生衰變。1.衰變衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁一般表示：衰變能條件即一般表示式中表示核外i軌道上的電子，表示該軌道上電子的結(jié)合能2.衰變3.軌道電子俘獲=第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁我們可以求得發(fā)生EC的條件是，同衰變一樣，衰變也可以用衰變綱圖表示，習慣上用兩條橫線分別表示母體和子體的原子核基態(tài)．兩線之間的距離相當于母體和子體的能量差，從母體能級向下畫一箭頭線至子體能級表示衰變；向左下則表示電子俘獲；而衰變則因為母體原子質(zhì)量至少應比子體原子質(zhì)量大時才有可能，故習慣上先從母體能級垂直向下畫一線段，再折向左邊畫一箭頭表示衰變．通常K俘獲發(fā)生的幾率最大．４.衰變綱圖第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁三種衰變的綱圖如圖所示．第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁衰變變除上面講到的幾種情況之外１.中微子吸收２.雙衰變，即一次放出兩個光電子．還存在以下幾種特殊的衰變方式：第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁３.延遲中子發(fā)射，即母核發(fā)生衰變后，得到不穩(wěn)定的子核；子核又放出中子，變成它的同位素，有時緩發(fā)一個中子，有時釋放兩個中子4．延遲質(zhì)子發(fā)射的粒子發(fā)射，即母核發(fā)生衰變后，得到不穩(wěn)定的子核，以不同的幾率放出質(zhì)子和粒子，而變成其他的核素。。第六節(jié)：衰變第七章:原子核物理概論衰變條件及其測量中微子假設衰變綱圖上一頁下一頁首頁第七節(jié)：衰變通過上面的衰變我們知道，在衰變過程中。有的核處于基態(tài)，也有的核處于不同的激發(fā)態(tài)。衰變的一般性質(zhì)原子核的退激，必然伴隨有射線的放出，射線的能量就等于相應的核能級之間的能量差。射線與射線的差別在于能量和產(chǎn)生的方式不同而已。Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁射線產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子的躍遷；射線產(chǎn)生于激發(fā)態(tài)原子核的退激或正、負電子對的湮滅。第七章:原子核物理概論Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁研究表明，內(nèi)變換過程事實上是，原子核退激時，將多余的能量直接交給了核外電子，因此內(nèi)變換電子來源于核外軌道電子。設原子核退激放出的能量是，則內(nèi)變換的能量與層電子的結(jié)合能之間的關(guān)系為：衰變時的能量-強度分布曲線，本應是一條光滑曲線，但是在曲線的某些部位卻出現(xiàn)了強度的尖峰。分析表明，這些電子不是內(nèi)變換（）（）2）內(nèi)變換電子的來源1）定義：衰變的電子，我們將此現(xiàn)象稱為內(nèi)變換，相應的電子稱內(nèi)變換電子。Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七章:原子核物理概論第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁在衰變中，子核可以到不同的激發(fā)態(tài)，一般來說，激發(fā)態(tài)的壽命是相當短的；但也有的激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，這些處于亞穩(wěn)態(tài)的核與處于基態(tài)的核和均相同。只是內(nèi)部能量不同，它們有不同的平均壽命和半衰期。通常稱其為同質(zhì)異能素.同質(zhì)異能素Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七章:原子核物理概論第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁

1.衰變中核的反沖效應：在衰變中，處于激發(fā)態(tài)的核由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，子核與光子的總動量和總能量是守恒的，亦即子核具有一定的反沖動量和反沖能，下面我們來估算的大小.能量守恒：動量守恒：Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七章:原子核物理概論第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁其中對光子有,2.對核共振吸收的影響所以有故有:某核素發(fā)出的光子，是否對該核素引起共振吸收要比較能級寬度與的大小。由不確定關(guān)系可以求得，核能級寬度約為：可見，盡管很小，但是，更何況放出光子時,核帶走了一部分能量，吸收光子發(fā)生核共振時，吸收核也有一個反沖，兩次的能量關(guān)系分別為：第七章:原子核物理概論Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁發(fā)射光子:3.效應：吸收光子:可見，實際發(fā)射線與要求的吸收線相差，若，則可以發(fā)生共振；當時，不可能發(fā)生共振吸收。1958年，德國物理學家發(fā)現(xiàn)：如果將放射性核素固定在晶體中，遭反沖的就不是單個原子核，而是整塊晶體。此時由于m很大，所以；這時上述核共振吸收就可以發(fā)生，此稱效應。第七章:原子核物理概論Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁效應在高精度測量中，得到廣泛的應用。例如，它對能量精度可以達到數(shù)量級，相當于測量地球到月亮之間的距離精確到0.01mm.例如半徑為R的某星球放出光子，因為飛離星球時要克服星球的引力勢做功，因此在遠處接收到的光子能量較飛離時要小效應在物理、化學、生物學、地質(zhì)學、冶金學等方面都得到了廣泛的應用。，即發(fā)生紅移，紅移量一般小于量級，效應可對它作精確測量。第七章:原子核物理概論Y衰變的條件內(nèi)變換同質(zhì)異能量Mossbauer效應第七節(jié)：衰變上一頁下一頁首頁第八節(jié):核反應發(fā)射的粒子時發(fā)現(xiàn)，出射的粒子射程都在7cm左右。但有的粒子射程竟達40cm,這遠遠超出了粒子衰變能所能前進的距離。經(jīng)過認真分析，Rutherford認為,長射程的不是粒子而是質(zhì)子，他認為粒子同空氣中的氮發(fā)生了核轉(zhuǎn)變過程：人類第一次發(fā)現(xiàn)核反應是在1919年由Rutherford觀察到的。他在研究(釙）核反應的發(fā)現(xiàn)這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個核反應.核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁的反應：同年在實驗中發(fā)現(xiàn)了中子。從1934年起，開始了用中子照射包括鈾在內(nèi)的許多元素，并發(fā)現(xiàn)了核裂變。此后，關(guān)于核反應的研究迅速發(fā)展起來。實現(xiàn)了人工加速質(zhì)子轟1931年，世界上第一臺荷電粒子加速器投入運行，1932年，擊第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程上一頁下一頁首頁核反應的表示及守恒定律簡示為：式中：T為靶核；i為入射粒子；R為剩余核；l為出射輕粒子。i和l可以是α粒子，質(zhì)子、中子、氘核、γ光子等。1.核反應的一般表示：2.核反應遵從的守恒定律核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁1）電荷數(shù)守恒：2）質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）守恒；，式中4）動量守恒：5）角動量守恒；3）總能量守恒（總質(zhì)量并不守恒）：；6）宇稱守恒。第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程上一頁下一頁首頁1、核反應能的定義及吸、放能反應和則總能量守恒得即Q可以用兩種方法求得

設I,T,l,R的靜質(zhì)量和動能分別為定義反應能為：（1）（2）核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論上一頁下一頁首頁由于核質(zhì)量表示為，而反應前后的總質(zhì)子與中子數(shù)是相同的，若Q>0稱放能反應；Q<0稱吸能反應。，所以和可由實驗測得，所以只要導出，即可得Q的表示，核反應過程中2.根據(jù)反應前后動能的改變量求Q通常情況下，靶核是處于靜止狀態(tài)的，即所以Q又可表示為第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程上一頁下一頁首頁動量守恒：變成標量式得利用關(guān)系式，可得所以在Q方程中消去得這就是計算反應能的方程。（4）（5）（6）第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程上一頁下一頁首頁在核反應中，測得及θ，即可求得Q，3.核反應的閾能中，；試問，當入射α粒子的動能為時,這個反應是否可以發(fā)生？再由（2）式去求未知核的質(zhì)量。由上面的討論知道，在反應回答是否定的！我們定義，能夠引起核反應時，入射粒子所必須具有的最低能量，稱為核反應的閾能。那么在核反應中，入射粒子至少應有多大的動能才能使反應得以進行呢？第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程上一頁下一頁首頁為了求得這個閾能，我們可以從（6）式解出出射粒子的動能其中為了保證反應得以進行，必須存在且不等于0。由（7）式知對于放能反應，（7）為此必須有第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q方程上一頁下一頁首頁當時，，所以，必有；而對于吸能反應，，若，至少要大于某一值以保證，才能保證的最小值就是核反應的閾能。決定，即易見Q=0時，有極小值，由此解得：反應的進行，它由第八節(jié):核反應第七章:原子核物理概論核反應的發(fā)現(xiàn)守恒定律Q