原子核的衰变3

1、3.3 3.3 跃迁跃迁 衰变衰变：原子核从：原子核从激发态激发态通过发射通过发射 光子光子或或其他过程其他过程跃迁到跃迁到较低能态较低能态的过程。该过程的过程。该过程核电荷数不变核电荷数不变、核子数不变。核子数不变。 跃迁发射跃迁发射粒子能量在几粒子能量在几KeV十几十几 MeV 跃迁半衰期跃迁半衰期范围为，范围为，10-16s10-4s 跃迁的基本特点：跃迁的基本特点： 跃迁包括跃迁包括 跃迁和内转换电子两种形式。跃迁和内转换电子两种形式。 跃迁是核能级之间的跃迁：跃迁是核能级之间的跃迁： hhEEEErfi 0 hE hchP 1 s1、 跃迁跃迁 光子的性质：光子的性质：静止质量静止质

2、量 0能量（动质量）能量（动质量）动量动量自旋（玻色子）自旋（玻色子）衰变能：衰变能：内转换电子也内转换电子也是是核能级之间核能级之间的的跃迁跃迁：iifieEEEE 2、内转换电子、内转换电子内转换电子能谱是内转换电子能谱是分立的分立的。内转换电子主要来自原子的内转换电子主要来自原子的内电子层内电子层。内转换效应与内转换效应与发射光子是相互竞争的发射光子是相互竞争的。内转换系数内转换系数 NNee . MLK )1 ( e3、 辐射的多极性辐射的多极性及及 跃迁选择定则跃迁选择定则1)、经典电磁辐射的、经典电磁辐射的多极性多极性电偶极子电偶极子 电偶极辐射电偶极辐射电四极子电四极子 电四极辐

3、射电四极辐射电八极子电八极子 电八极辐射电八极辐射电多极辐射电多极辐射：电荷运动产生的辐射电荷运动产生的辐射磁偶极子磁偶极子 磁偶极辐射磁偶极辐射磁四极子磁四极子 磁四极辐射磁四极辐射磁八极子磁八极子 磁八极辐射磁八极辐射磁多极辐射磁多极辐射：电流变化产生的辐射电流变化产生的辐射经典电磁辐射经典电磁辐射是指是指宏观宏观的的电荷电流体系电荷电流体系所所产生的电磁辐射，可用经典力学规则描述。产生的电磁辐射，可用经典力学规则描述。多极辐射的能量和角动量都是振动频率的多极辐射的能量和角动量都是振动频率的函数，对于函数，对于宏观体系宏观体系，频率可以取任意值频率可以取任意值，能量和角动量也可以取任意值能

4、量和角动量也可以取任意值。2)、原子核的多极辐射、原子核的多极辐射原子核原子核是一个是一个电荷、电流电荷、电流的分布系统，处的分布系统，处于激发态的核发射于激发态的核发射 射线退激，射线退激，类似于类似于经经典典电荷电流分布变化电荷电流分布变化而而发射电磁波发射电磁波，由此，由此产生的辐射也具有产生的辐射也具有多级辐射多级辐射的性质。的性质。但但原子核原子核是一个是一个微观体系微观体系，其运动规律与，其运动规律与宏观体系的运动规律有质的不同。微观体宏观体系的运动规律有质的不同。微观体系的特点之一是系的特点之一是量子化量子化，其，其能量能量和和角动量角动量只能取某些只能取某些分立分立的值。另外，

5、原子核的状的值。另外，原子核的状态还有态还有确定的宇称确定的宇称。电多极辐射电多极辐射的实质主要是由的实质主要是由原子核内电荷原子核内电荷密度变化引起的密度变化引起的；磁多极辐射磁多极辐射则由则由电流密电流密度和内在磁矩的变化所引起度和内在磁矩的变化所引起。 辐射的多极性是指辐射的辐射的多极性是指辐射的电磁性质电磁性质和和极次极次A）由辐射的角动量和宇称即可定出辐射）由辐射的角动量和宇称即可定出辐射的多极性。的多极性。B）由辐射的多极性也可以定出辐射的角）由辐射的多极性也可以定出辐射的角动量和宇称。动量和宇称。3)、 跃迁的跃迁的选择定则选择定则 跃迁是跃迁是电磁电磁相互作用，相互作用，角动量

6、角动量和和宇称守恒宇称守恒设：原子核跃迁前后角动量为设：原子核跃迁前后角动量为iIfI和和光子带走的角动量为光子带走的角动量为L先来看光子带走的角动量：先来看光子带走的角动量：根据角动量守恒：根据角动量守恒：fiIIL 那么：那么： 取值为：取值为：LfifififiIIIIIIII , 1, 1,根据跃迁理论及实验，根据跃迁理论及实验，L 越大越大跃迁几率跃迁几率越越小小，所以一般，所以一般 L 取最小值，即：取最小值，即：fiIIIL 光子的自旋为，则跃迁中被光子带走的光子的自旋为，则跃迁中被光子带走的角动量不可能为零，角动量不可能为零，至少为至少为1。 解释为何解释为何 0 0 跃迁不可

7、能通过发射跃迁不可能通过发射光子实现光子实现？那么这种情况下，退激是如何那么这种情况下，退激是如何实现的？实现的？1 L光子带走的光子带走的 角动量角动量 决定决定 辐射的辐射的 极次极次光子角动量光子角动量 L 辐射的辐射的极次极次1偶极偶极辐射辐射2四极四极辐射辐射3八极八极辐射辐射 . .L2 2L L极极辐射辐射设：原子核跃迁前后宇称分别为设：原子核跃迁前后宇称分别为i f 和和光子带走的宇称为光子带走的宇称为 再来看光子带走的再来看光子带走的宇称宇称：根据根据宇称守恒宇称守恒：fi fi跃迁前后原子核宇称跃迁前后原子核宇称不变不变：跃迁前后原子核宇称跃迁前后原子核宇称改变改变： 为为

8、“” 为为“”根据根据宇称宇称和和角动量角动量奇偶性，奇偶性， 辐射分为辐射分为两类两类：A、宇称的奇偶性和角动量的奇偶性、宇称的奇偶性和角动量的奇偶性相同相同B、宇称的奇偶性和角动量的奇偶性、宇称的奇偶性和角动量的奇偶性不同不同电电多极辐射多极辐射L)1( 磁磁多极辐射多极辐射1)1( L 以：以：表示。表示。EL如：如： ， 等等1E2E以：以：表示。表示。ML如：如： ， 等等1M2M根据根据 跃迁概率公式：跃迁概率公式：(3) 类型、极次相同，相邻能级能量差越类型、极次相同，相邻能级能量差越小，跃迁概率越小。小，跃迁概率越小。(2) 同一极次同一极次，电多极辐射电多极辐射概率比概率比磁

9、多极磁多极辐射辐射概率概率大大个数量级；个数量级；(1) 同一类型跃迁同一类型跃迁，高一极次高一极次概率比概率比低一低一极次极次概率概率小小三个数量级；三个数量级；310)(/ )1( LLEE 310)(/ )1( LLMM 310)(/ )( LLEM )1()( LLEM 跃迁跃迁选择定则选择定则),(iiI 原子核始态原子核始态),(ffI 原子核终态原子核终态fiIIIL fi 光子光子奇奇偶偶5 5奇奇4 4偶偶3 3奇奇2 2偶偶0 0或或1 1奇奇L1M1E2E3E4E5E)2(E2M3M4M5M)3(E)4(E)5(E)6(E括号内跃迁类型表示可能同时发生。括号内跃迁类型表示

10、可能同时发生。 跃迁跃迁选择定则选择定则的应用：的应用：A、根据原子核始态和终态，定出跃迁极次、根据原子核始态和终态，定出跃迁极次101023212325B、根据跃迁类型与原子核始态或终态中一、根据跃迁类型与原子核始态或终态中一个的自旋和宇称，定出另一的自旋和宇称个的自旋和宇称，定出另一的自旋和宇称212502E1E3E2E 根据根据内转换系数内转换系数的的实验值实验值与与理论值理论值的比较，可的比较，可以确定以确定跃迁的多极性跃迁的多极性，从而可以确定原子核的角，从而可以确定原子核的角动量和宇称的变化或已知其中一个能级的状态确动量和宇称的变化或已知其中一个能级的状态确定另一能级的状态。定另一

11、能级的状态。内转换系数在确定跃迁多极性方面的应用内转换系数在确定跃迁多极性方面的应用10.5min5.274a60mCo60Ni590013322502315100% 15500.2% 0 5 2 2 4 例如：例如：60Co衰变衰变为为60Ni后有两次后有两次 跃迁，能量分别跃迁，能量分别为为1.17MeV和和1.33MeV。实验测得这两次跃迁的内转换系数实验测得这两次跃迁的内转换系数实验值实验值分别为：分别为：4(1.500.06) 10K 4(1.160.06) 10K K 而理论计算的而理论计算的 的的理论值理论值（104）为：）为：E1E2E3M1M21.17MeV0.721.553

12、.011.382.871.33MeV0.581.172.071.032.07可见，两个跃迁均是可见，两个跃迁均是跃迁。跃迁。已知已知60Ni基态的能级特性为：基态的能级特性为：0则，其第一激发态的自旋和宇称为：则，其第一激发态的自旋和宇称为：2第二激发态的自旋和宇称为：第二激发态的自旋和宇称为：04或或再根据再根据 衰变的选择定则知第二激发态只能取衰变的选择定则知第二激发态只能取4内转换系数对内转换系数对 跃迁概率的修正跃迁概率的修正 实验测得的实验测得的能级寿命能级寿命既包含既包含 跃迁的贡献跃迁的贡献，也，也包含包含内转换的贡献内转换的贡献。111(1)e 即：即：1(1) 则：则：例如：

13、例如：60mCo到到60Co的跃迁，实验测得此跃迁的的跃迁，实验测得此跃迁的内转换系数为：内转换系数为：23.6 10 则：则：612113.1 10(1)909 (13.6 10 )s 若不考虑内转换系数的修正，则有：若不考虑内转换系数的修正，则有：31111.1 10909s 而该而该 跃迁概率的理论值跃迁概率的理论值(按公式计算按公式计算)为：为：M2M3M4E2E3E43.31021.110-52.610-132.31040.810-30.910-11修正后，实验值和修正后，实验值和理论值相符；理论值相符；不修正，实验值和不修正，实验值和理论值相符。理论值相符。4、同质异能、同质异能跃

14、迁跃迁同质异能素：同质异能素：寿命长于寿命长于0.1s的的激发态核素激发态核素。同质异能跃迁：同质异能跃迁：同质异能素发生的同质异能素发生的 跃迁跃迁（或内转换）。（或内转换）。同质异能态的同质异能态的角动量角动量与基态或相邻较低激与基态或相邻较低激发态的发态的角动量角动量之差较大之差较大，能量能量之差之差一般一般比比较小较小，因而，因而跃迁概率比较小跃迁概率比较小。mIn11349min10421 T 长寿命同质异能态随核子数的变化有一定规律性长寿命同质异能态随核子数的变化有一定规律性 同质异能跃迁时，同质异能跃迁时， I 3，条件为，条件为 A 40 轻核中没有同质异能素轻核中没有同质异能

15、素 同质异能素岛：同质异能素岛： Z, N=50, 82, 126前。前。同质异能素的寿命较长；同质异能素的寿命较长；同质异能素的内转换系数同质异能素的内转换系数较大。较大。5、穆斯堡尔效应、穆斯堡尔效应Mssbauer Effect无反冲无反冲 共振吸收共振吸收.220002McEEEEER A、发射、发射 射线能量：射线能量：220002McEEEEER B、吸收、吸收 射线能量：射线能量：由于核反冲的存在：由于核反冲的存在：0EREE 0REE 02202McEEEER 发射发射 射线与射线与吸收吸收 射线射线能量之差能量之差：但按照但按照不确定关系不确定关系： 0 由于反冲能的存在，由

16、于反冲能的存在，发射光子不能引起发射光子不能引起光子吸收。光子吸收。能级能级有一定有一定宽度宽度，不是，不是线谱线谱。发射谱发射谱和和吸收谱吸收谱有有可能重叠可能重叠。 RE2要发生要发生显著显著的共振吸收，的共振吸收，必须具备：必须具备：但一般情况下：但一般情况下： RE2例如：Fe57的第一激发态。的第一激发态。keVE4 .140eVMcEER32201042则：则：M为单原子核质量为单原子核质量由：该激发态的半衰期由：该激发态的半衰期s8108 . 9可求出：可求出：eV9107 . 4可见：可见：RE2即：不能发生共振吸收即：不能发生共振吸收穆斯堡尔效应的原理穆斯堡尔效应的原理：将核

17、束缚起来将核束缚起来,即：即：可发生共振吸收可发生共振吸收.由于无反冲不是绝对的，发射能量需要补偿由于无反冲不是绝对的，发射能量需要补偿 多普勒效应多普勒效应怎么补偿？怎么补偿？ E的源以速度的源以速度v向吸收体运动，向吸收体运动， 光子能量的变化光子能量的变化 cvEE RE2这时这时反冲能量反冲能量0，容易实现容易实现：例如：例如：Fe57的第一激发态的第一激发态。keVE4 .14 实验中，可以利用实验中，可以利用多普勒效应多普勒效应补偿由于补偿由于反冲反冲或或振动振动或或原子环境原子环境引起的引起的能量变化能量变化。则：当源速度为则：当源速度为scmv/1时eVcvEE71082. 4

18、 比：比：eV9107 . 4大大两个数量级两个数量级。穆斯堡尔效应的特点：穆斯堡尔效应的特点：能量分辨本领非常高。能量分辨本领非常高。测量的灵敏度可以达到测量的灵敏度可以达到0/ E 对对Fe57的的KeV4 .14，133 100E 对对Zn67的的KeV3 .93,1605.3 10E 对对Ir191的的129KeV,1104 10E 穆斯堡尔效应的实现与应用穆斯堡尔效应的实现与应用：穆斯堡尔谱仪由穆斯堡尔谱仪由放射源放射源、吸收体吸收体、探测器探测器和和驱动装置驱动装置组成。组成。穆斯堡尔核素的条件：穆斯堡尔核素的条件：足够小能级宽度足够小能级宽度，即即激发态寿命足够长激发态寿命足够长

19、；能；能较容易将放射源较容易将放射源核素固定到晶体中核素固定到晶体中。反冲能由反冲能由多普勒效应补偿多普勒效应补偿。实验样品实验样品(共振吸收体共振吸收体)中中必须必须含有放射性含有放射性核素核素共振吸收材料共振吸收材料。穆斯堡尔效应应用十分广泛，特别是要求穆斯堡尔效应应用十分广泛，特别是要求测量灵敏度非常高测量灵敏度非常高的领域。的领域。重力红移的测量重力红移的测量mgHhE 22chcEm 221 hcgHhgHchhE 则频移：则频移：2cgH 若若mH2015102 . 2 1960年，庞得的测量结果：1 . 005. 1expTh核能级核能级的超精细结构研究的超精细结构研究：核外电子

20、等对核能级的影响而造成的核能级的分裂现象研究。核外电子等对核能级的影响而造成的核能级的分裂现象研究。磁分裂：磁分裂： Parity - a quantum number describing the symmetry of the mirror reflection. Parity is even if P =+ , Parity is odd if P = - . Parityn n个粒子的总宇称个粒子的总宇称: :nllln 21)1(21 衰变中的宇称不守恒衰变中的宇称不守恒 - 疑难疑难 ( - puzzle) - - 疑难：疑难：指指 介子介子和和 介子介子的的同一性同一性的问题。的

21、问题。实验发现实验发现， 介子和介子和 介子的一切性质均相同：介子的一切性质均相同：粒子粒子质量质量(MeV)(MeV)平均寿命平均寿命( (1010-8-8s)s)占所有占所有K K介子衰变比例介子衰变比例 + +966.3966.32.02.01.191.190.050.056 6 + +966.7966.72.02.01.211.210.020.022929 + +介子和介子和 + +介子衰变方式不同：介子衰变方式不同：0 已知，已知， 、 、 介子的介子的自旋均为零，自旋均为零， 介子介子的内禀宇称为奇的内禀宇称为奇。根据根据角动量守恒定律角动量守恒定律：0 和和的总角动量的总角动量均为零，可以推知均为零，可以推知如果如果衰变过程衰变过程宇称是守恒宇称是守恒的，那么有：的，那么有：fi 它们的它们的相对运动角动量相对运动角动量均为均为零零。 即：即：0 l1)1(0 lfi 对对 + +衰变：衰变：1)1( lfi 对对 + +衰变：衰变：如果认为如果认为宇称守恒成立宇称守恒成立，那么只能判定，那么只能判定 与与 不是同不是同一种粒子一种粒