核物理分析方法.ppt

1、第六章 核物理分析方法,從原子尺度來(lái)研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)核物理分析，可以獲得材料中原子運(yùn)動(dòng)、電子狀態(tài)、點(diǎn)陣缺陷、磁性結(jié)構(gòu)和固態(tài)相變等信息。 第一節(jié) 原子核的性質(zhì) 一、核的構(gòu)成 原子核=質(zhì)子+中子 核子 當(dāng)原子序數(shù)為Z時(shí)，質(zhì)子數(shù)為Z。中子數(shù)為原子量A-Z。質(zhì)子是氫核，帶正電1.6021 10-19C。 中子顯電中性。 標(biāo)記法：例如： Fe為Z=26，A=56，中子為30。,二、質(zhì)量和結(jié)合能 按質(zhì)量守恒定律，應(yīng)該 的質(zhì)量 實(shí)際是 mN：核質(zhì)量； mp：質(zhì)子質(zhì)量； mn：中子質(zhì)量； B：質(zhì)量虧損。 核子在結(jié)合成原子核時(shí)，要放出一定能量，稱為核結(jié)合能。虧損質(zhì)量轉(zhuǎn)化成這種質(zhì)量。 根據(jù)相對(duì)論，能量和質(zhì)

2、量可以相互轉(zhuǎn)換。質(zhì)量為m的物質(zhì)具有的能量為：E=mC2。 原子的質(zhì)量一般用原子質(zhì)量單位u來(lái)表示。規(guī)定12C的質(zhì)量為12.000000u，1u=1.66056510-27Kg，質(zhì)子質(zhì)量mp=1.00728u，中子質(zhì)量mn=1.00866u。 1u物質(zhì)具有的能量為931.5MeV。,三、同位素 同一元素中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子，互稱同位素。如： 一種元素的同位素有的是穩(wěn)定的，有的是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的可以通過(guò)蛻變輻射出射線，即為放射性同位素。如 是穩(wěn)定的， 是放射性同位素。,四、動(dòng)量矩 原子核具有自旋運(yùn)動(dòng)，自旋角動(dòng)量（動(dòng)量矩）為： 約化普朗克常數(shù)； I ：自旋量子數(shù)； 在任一方向的含量為 。

3、mI ：為磁量子數(shù)，即在空間有2I+1個(gè)可能取向。,五、原子核磁矩,核磁矩： 為旋磁比， g為朗德因子， ，e為電荷，mP為質(zhì)子質(zhì)量。 與玻爾磁子類似，定義： 用核磁子表示自旋量子數(shù)為I的核磁矩： 在磁場(chǎng)H中， 與H的相互作用能,六、電磁極矩 原子核實(shí)際占有一定空間，其電荷一般呈旋轉(zhuǎn)橢球狀分布，出現(xiàn)電偶極子。,第二節(jié) 放射性蛻變和同位素的應(yīng)用,一、放射性蛻變 定義：同位素自發(fā)地放射出高能射線而變成另外一種元素（的核）。 1、 蛻變規(guī)律 原子核數(shù)： 蛻變系數(shù)： 越大，蛻變?cè)娇臁?2、蛻變類型 （1）、 蛻變：原子核發(fā)射粒子（氦核），蛻變?yōu)樵有驍?shù)減少2，質(zhì)量數(shù)減少4的另一種核。 （2）、 蛻變：

4、三種情況 1、 蛻變：核中一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，放出一個(gè)電子，蛻變?yōu)樵?子序數(shù)增加1的新核：,2、 蛻變：核中一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，放出一個(gè)正電子，蛻變?yōu)樵有驍?shù)減少1的新核： 3、電子俘獲：原子核俘獲一個(gè)核外電子，蛻變?yōu)樵有驍?shù)減少1的新核：,（3）、 蛻變：在激光態(tài)的核輻射出 射線而由不穩(wěn)定成為穩(wěn)定的基態(tài)，此為 蛻變。 射線是光量子。 蛻變時(shí)，質(zhì)子數(shù)A和荷電荷數(shù)Z不變，只有能量狀態(tài)發(fā)生變化。,蛻變和 蛻變后形成的新核一般都處于激發(fā)態(tài)。所以都伴有 蛻變，也可以用高能射線輻照使其受激。 3、 射線的能量分布 能量和壽命不能同時(shí)具有確定值。能量是在一個(gè)中心值周圍 寬度的統(tǒng)計(jì)分布。 滿足測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：

5、為壽命。 所以，同位核素源輻射的 射線的能量不是單值的， 呈現(xiàn)一定的分布，其半高度處的線寬為 。,二、應(yīng)用 主要用于合金中的擴(kuò)散，原子間的相互作用，元素的局部分布等。,例：碳在鐵中的擴(kuò)散。在純鐵試樣端面（x=0）沉積 ，經(jīng)退火、擴(kuò)散將試樣沿斜面切開(kāi)，將底片覆蓋在切面上，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間感光后取下沖洗，用顯微光度計(jì)測(cè)量底片的黑度分布，按邊界條件解碳濃度的解析式：,D為擴(kuò)散系數(shù)，x為距離，t為時(shí)間。 取對(duì)數(shù) 根據(jù)黑度分布，作 直線，斜率為 ，由此 得D。,第三節(jié) 核磁共振及應(yīng)用,一、原理 將試樣置于靜磁場(chǎng) 中，核磁矩 與 作用，形成2I+1個(gè)能級(jí)。根據(jù)能量躍遷選擇定則： , 只能 由 （外）、 （內(nèi)）

6、組成。 在垂直于 的方向上加一個(gè)交變磁場(chǎng) （較弱），其角頻率為 。當(dāng)滿足 時(shí)，即交變場(chǎng)的能量量子等于核磁矩可能發(fā)生能量躍遷的兩個(gè)能級(jí)間的能量差。核磁矩將吸收 的一個(gè)能量子而躍遷至較高能級(jí)。此時(shí)，交變磁場(chǎng)能量被試樣強(qiáng)烈吸收，稱為共振吸收，即核磁共振。 可以固定 的強(qiáng)度，改變 頻率;也可固定 ，改變 的強(qiáng)度來(lái)滿足共振條件。,二、主要參數(shù) NMR線型 指吸收強(qiáng)度與射頻場(chǎng)頻率（在固定Hex的條件下）關(guān)系曲線的形狀?；蛘呶諒?qiáng)度與靜 磁場(chǎng)強(qiáng)度（固定 ）關(guān)系曲線形狀。,NMR線型是一些分立的單線，稱其為nmr譜線。譜線有一定寬度 ， 由測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系得：線型函數(shù)：液態(tài)金屬：,固態(tài)金屬： T2為橫向馳豫時(shí)間。

7、圖7-6，P151為純鋁的核磁共振吸收曲線。 描述線型的參量： （1）半高寬：強(qiáng)度最大值一半處對(duì)應(yīng)的頻率差； （2）拐點(diǎn)寬：曲線拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率差 ； （3）面積S： 為共振頻率。,四、在金屬材料研究中的應(yīng)用 1. 測(cè)核內(nèi)場(chǎng)： 根據(jù)： 與物質(zhì)的磁化強(qiáng)度成正比。測(cè) 后，可以得到有序固體自發(fā)磁化和亞晶格磁化的精確結(jié)果；可以得到飽和磁化強(qiáng)度與溫度的函數(shù)關(guān)系Ms(T)，因?yàn)榕c磁化強(qiáng)度成正比。,2. 研究合金中原子的局部環(huán)境和有序結(jié)構(gòu)。因?yàn)槎辖鹬?，兩個(gè)元素的原子排列情況不同， 便不一樣，因而影響核能級(jí)的間距。通過(guò)共振吸收的分析，可以研究二元合金的有序無(wú)序轉(zhuǎn)變。 3.金屬與合金的電子結(jié)構(gòu) 電子是核的最高耦合源，NMR線給出此作用，通過(guò)縱向馳豫的測(cè)量，確定電子的費(fèi)米能。 4. 鐵磁體磁疇結(jié)構(gòu) NMR信號(hào)主要由疇壁的核磁共振產(chǎn)生，所以疇壁的自旋轉(zhuǎn)動(dòng)，疇壁 隨溫