核辐射物理学：第三章 放射性核素的衰变种类和衰变规律

1、第三章第三章 放射性核素的衰变种类放射性核素的衰变种类和衰变规律和衰变规律 贝克勒尔（AntoineHenri Becquerel，18521908年）贝克勒尔是法国物理学家。1852年12月15日出生在巴黎一个书香门第家庭，贝克勒尔的祖父和父亲都是物理学教授。1877年，贝克勒尔毕业于巴黎路桥学院，并取得工程师学位。1885年，他被提升为高级工程师。1888年，贝克勒尔又获得科学博士学位。1892年，他继承祖父和父亲的事业，主持巴黎自然历史博物馆的应用物理学讲座。1895年，被任命为巴黎理工学校的教授。贝克勒尔是许多科学协会的成员：法国科学院院士，伦敦皇家学会会员，柏林科学院院士，等等。19

2、08年8月25日他在克罗西克逝世。1892年的1月20日，法国科学院举行了一次重要学术讨论会。会上，来自全国各地的科学家聚精会神地听大名鼎鼎的数学家和物理学家、天文学家彭加勒做学术报告。彭加勒给与会者展示了伦琴刚刚寄给他的射线照片，引起学者们的极大兴趣。这时，一位中年物理学家站起来请教主讲人射线发射区精确地讲应该是哪一部分。彭加勒说是阴极射线照射的玻璃冻壁，贝克勒尔当即表示不同意这种看法，并当场提出阴极射线会使整个玻璃体产生荧光，在阴极射线的照射下，可能还有其他物也会发出同射线类似的射线。 为了验证自己的设想，他立即进行试验。贝克为了验证自己的设想，他立即进行试验。贝克勒尔想知道由硫酸氢铀等组

3、成的一种磷光物质勒尔想知道由硫酸氢铀等组成的一种磷光物质发射的磷光是否含有发射的磷光是否含有X射线。他把这种磷光物射线。他把这种磷光物质放在一张由黑纸包好的照相底板上，再让它质放在一张由黑纸包好的照相底板上，再让它们受太阳光照射。他设想，由于太阳光不能穿们受太阳光照射。他设想，由于太阳光不能穿透黑纸，因此，太阳光本身不会使照相底片感透黑纸，因此，太阳光本身不会使照相底片感光。但是，太阳光中的紫外线会激发磷光物质光。但是，太阳光中的紫外线会激发磷光物质产生磷光辐射，如果磷光产生产生磷光辐射，如果磷光产生X射线的话，那射线的话，那么，这种么，这种X射线就能使黑纸包里的照相底片感射线就能使黑纸包里的

4、照相底片感光。结果，照相底板确实感光了。光。结果，照相底板确实感光了。 这似乎证明他的设想是对的，因为当时人们知道，只有X射线具有穿透黑纸能使照相底板感光的能力。1896年2月26日和27日两天，因为阴雨，实验无法进行。贝克勒尔把照片底板连同它上面的磷光物质锁进抽屉里。3月1日，细心的贝克勒尔想抽查一下，照相底板上是否会因为黑纸漏光而曝光。照片冲洗出来后，他大吃了一惊，因为底片由于受到很强的辐射而变的很黑了，它上面的阴影正好是那块磷光物质的像。这显然不是黑纸漏光所造成的，锁在黑暗的抽屉里的磷光物质没有受到太阳光照射，不会发磷光，当然也无从激发出X射线了。第二天，3月2日，贝克勒尔向法国科学院报

5、告了他所发现的这种新的“不可见的辐射”。这就是一种后来被称作“放射性”的辐射。贝克勒尔因发现了放射性而获得1903年度的诺贝尔物理学奖。放射性核素：某些核素的原子核能够自发地衰放射性核素：某些核素的原子核能够自发地衰变放出变放出、等粒子的性质称为放射性，具等粒子的性质称为放射性，具有这种特性的核素叫做放射性核素。有这种特性的核素叫做放射性核素。核衰变：放射性核素的原子核自发地放出核衰变：放射性核素的原子核自发地放出、等粒子而转变成为另一种核素的原子核的过程。等粒子而转变成为另一种核素的原子核的过程。第一节第一节衰变衰变( Decay)定义放射性核素的原子核放出粒子而变为另一种核素的原子核的过程

6、, 粒子为氦核。基本特点：一般重核A140才发生衰变；粒子能量为49MeV；半衰期范围很宽T1/2 =10-7 s1015a。1. 衰变发生的条件表达式AZXA-4Z-2Y+42He衰变前，母核为静止的，由能量守恒mXc2=mYc2+mc2+E+EY式中mX，mY，m分别表示母核、子核和粒子的质量；E，EY表示粒子动能和子核的反冲动能。 衰变能E0= E+EY=m（Z，A）c2-m（Z-2，A-4）c2- m（2，4）c2可见，衰变能为衰变前母核与衰变后子核和粒子的静止能量之差，也等于粒子和子核带走的动能。以原子质量M代替核质量m，并忽略电子结合能：E0= E+EY=M（Z，A）c2-M（Z-

7、2，A-4）c2+ M（2，4）c2只有E00才能发生衰变，即发生衰变的条件M（Z，A）M（Z-2，A-4）+ M（2，4）所以，由上式即可判断哪些核素可以发生衰变2. 衰变能与粒子能量的关系核受反冲，由动量守恒（已假定母核静止）mYvY=mv所以，核反冲能EY= mYvY 2/2= （mv/2） *mv/mY = mE/mY 反应能E0= E+EY=（1+ m/mY）E =1+4/（A-4） EAE/（A-4）E = （A-4） E0 /A EY = 4E0 /A 当分子与分母同时核质量时，用核的质量数之比代替核质量之比带来误差很小。可见衰变能大部分被粒子带走，衰变能的大小反映了母核的不稳定

8、性。一般放射性核素发生衰变还伴有其它衰变。长射程粒子3. 衰变能与核能级图第二节第二节 衰变衰变定义：衰变自发发射,-+粒子或俘获一个轨道电子而发生衰变。1.中微子理论粒子实质上是电子和正电子，差别在于其为连续能量，且具有最大能量Emax。即每次衰变发出的电子或负电子具有不同的能量。面临的难题：(1) 粒子的连续性与量子论相违；(2)核中没有电子，电子从何来？ 泡利1930年提出中微子理论：衰变中，在放出一个粒子同时，还放出一个质量的中性粒子称中微子。衰变能E0在电子、中微子和子核三者之间分配,由于子核反冲能EY0，存在E0E+Ee 。式中Ee为电子能量，E即为中微子的能量。当E=0时，Ema

9、x= E0，这就是粒子最大能量的由来。衰变包括-衰变、+衰变和轨道电子俘获三种过程。中微子的基本性质：(1)中微子电荷为零（上述过程满足电荷守恒）；(2)中微子自旋S=1/2，可满足角动量守恒；(3) m0，到目前其上限为9.3eV。2. -衰变表示式AZXAZ+1Y+e-+e- 例如： 3H3He +e-+e-衰变前，母核为静止的，由能量守恒mXc2=mYc2+mec2+E+E+EY 式中E、E、EY分别为粒子、反中微子和反冲核的动能。其中核反冲能可以忽略。 衰变能E0E+ E= mX-（mY+me）c2= （MX-MY）c2即母核原子质量与子核原子质量之差。所以，发生-衰变的条件为MX（Z

10、，A） MY（Z+1，A）即电荷数分别为Z和Z+1的同量异位素，只要前者的原子质量大于后者，就能发生-衰变。3. +衰变表示式AZXAZ-1Y+e+e例如： 13N13C+e+e 同样，衰变能E0 mX-（mY+me）c2= （MX-MY-2me）c2发生+衰变的条件 MX（Z，A） MY（Z-1，A）+2me即母核的原子质量必须比子核原子质量大两倍电子质量，才能发生+衰变。-衰变的衰变图的表示方式。 4.轨道电子俘获（轨道电子俘获（EC）electron capture母核俘获核外轨道上的一个电子，使母核中的一个质子母核俘获核外轨道上的一个电子，使母核中的一个质子转变成一个中子，同时放出一个

11、中微子。电子俘获最转变成一个中子，同时放出一个中微子。电子俘获最容易发生。容易发生。表示式表示式AZX+e e-AZ-1Y+e例如：例如： 7Be+e e7Li+e 衰变能衰变能E0 0= =（mX+me e -mY）c2- i i = （MX-MY）c2- i i式中式中i i为电子在为电子在i壳层的结合能。壳层的结合能。所以，发生轨道电子俘获的条件为所以，发生轨道电子俘获的条件为MX（Z，A）-MY（Z-1，A）i i/ / c2轨道电子俘获的后续过程：发射特征射线和俄歇电子，轨道电子俘获的后续过程：发射特征射线和俄歇电子， 当当K K层一个电子被俘获后，就留下了一个空位，这时层一个电子被

12、俘获后，就留下了一个空位，这时比比K K层能级更高的核外电子（如层能级更高的核外电子（如L L层电子），有可能跃迁至层电子），有可能跃迁至K K层跃迁至层跃迁至K K层填充被俘获电子的空位，多余的能量便以原层填充被俘获电子的空位，多余的能量便以原子的标识子的标识X X射线（特征射线（特征X X射线）发射，射线）发射，X X射线的能量为射线的能量为K K层和层和L L层电子的结合能之差。层电子的结合能之差。 俄歇效应：俄歇效应： 当当K K层电子被原子核俘获后，层电子被原子核俘获后，L L层的电子跃迁到层的电子跃迁到K K层层填充空位时，也可以不以填充空位时，也可以不以X X射线的形式释放多余能量，射线的形式释放多余能量，而是直接把这能量交给另一个而是直接把这能量交给另一个L L层的电子（或其他壳层的电子（或其他壳层电子），使它脱离原子核的束缚而成为自由电子发层电子），使它脱离原子核的束缚而成为自由电子发射出来。这种现象叫做俄歇效应。这些电子称为射出来。这种现象叫做俄歇效应。这