第七章：原子核物理概论

第七章原子核物理概论7.1原子核物理的对象1.人们对微观粒子的认识19世纪，人们对原子的认识：最小的、硬的颗粒均匀分布正电荷发现电子后对原子的认识：带正电的原子球，电子嵌在其中1896年，Becquerel发现铀的放射现象1897年，Curie夫妇发现放射性元素钋和镭1903年，Ruthorford证明放射射线的两种成分1919年，Ruthorford首次实现人工核反应1911年，Ruthorford模型卢瑟福模型：原子由带负电的电子和带正电的原子核组成，原子的大部分质量和全部的正电荷集中在原子中极小原子核区域内，带负电的电子绕核运动。

“原子”是由带正电的、重而小的“原子核”和围绕它的带负电的“电子云”组成量子力学建立后人们对原子的认识1932年，Chadwick发现中子发现中子后Heisenberg等人提出原子核由质子和中子组成1928年，Dirac预言正电子1931年，Anderson发现正电子1930年，Pauli中微子假说1934年，JoliotCurie人工放射性1935年，汤川秀树提出介子理论1934年，Fermi提出粒子反粒子产生湮灭机制1947年，Powell发现介子1955年，Chamberlain和Segre发现反质子1955年，杨振宁和李政道提出宇称不守恒1957年，吴健雄等人实验验证宇称不守恒元素的化学性质、光谱特性只与核外电子有关放射现象只与原子核有关夸克提出后目前对原子的认识1963年Gell-Mann提出强子结构的夸克模型夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。每种夸克都有相应的反夸克。夸克种类（味）上下奇异粲底顶英文updownstrangecharmbottomtop符号udscbt质量(MeV)51050015004800?电荷(e)2/3-1/3-1/32/3-1/32/31/21/21/21/21/21/2自旋()重子都由三个夸克组成。介子都由一个夸克和一个反夸克组成。天体之间衰变原子结合核力举例一切物体强子、轻子强子强子被作用粒子长程，短程<10-16长程，短程10-15~10-16作用力程/m引力子中间玻色子光子胶子作用传递者10-3910-151/1731相对强度引力作用弱作用电磁作用强作用四种相互作用的比较<10-23>10-10特征时间10-20~10-16标准模型世界有什么组成？如何组成？-----标准模型

6种轻子

6种夸克

传递力的粒子3.原子核的组成1919年，Ruthorford发现质子1897年，Thomson发现电子原子核由质子和电子组成He原子核由4个质子和2个电子组成原子核由质子和电子组成假说带来的问题A=Z+N无法解释某些核自旋14N原子核14个质子，7个电子组成，核自旋为半整数实验上14N核自旋为整数4.核素图中子数N为横坐标，原子序数Z为纵坐标核素图中稳定核素几乎都落在一条光滑曲线上或者紧靠曲线的两侧，这个区域被称为核素的稳定区核子依靠核力聚集成原子核，核力为短程力，存在与相邻核子间质子间的库伦相互作用影响核子的稳定性的质子泄漏线中子泄漏线稳定核素1966年预言Z=114附近超重元素岛1974年李政道预言存在稳定元素洲7.2核的基态特征之一：核质量1.质量差氕氘氚原子核由质子和中子组成2.结合能比结合能原子平均比结合能曲线氘的比结合能两头的核素比结合能小，中等质量的核素比结合能大平均比结合能8MeV降低核的能量轻核结合成中等质量的核素重核结分裂为中等质量的核素氢弹、恒星原子弹、核反应堆3.半经验质量公式理论上给出质量公式1935年Weizsäcker依据核的液滴模型给出半经验公式经验规律表面能质子间的库伦排斥作用，降低结合能表面的核子与内部核子所处环境不同表面能大小正比于表面积假设原子核为均匀带电球体库伦能4.较完整的质量公式Weizsacker公式质子、中子成对时核较稳定7.3核的基态特征之一：核力1.一般性质①.短程力核力----一个基本问题一种短程力④.与电荷无关③.强相互作用②.饱和性核力与电荷无关⑥.与自旋有关核子相距0.8-2.0fm时，表现为吸引力核子相距小于0.8fm时，表现为排斥力核子相距大于10fm时，核力几乎完全消失⑤.极短程内为斥力核力与自旋相对取向有关(n-p)散射实验，发现np自旋平行和反平行时，散射截面不同2.核力的介子理论力的传递为超距作用Faraday力通过场来传递现代观点：力通过物体间时刻不停的交换虚粒子传递Feynmann图1935年，汤川秀树提出核力的介子理论核力也是一种交换力依据核力力程估算介子的质量Heisenberg不确定关系和Einstein质能方程虚粒子---实验上无法直接观测到的媒介粒子介子质量介于质子和电子之间1935-1937年，发现质量为电子质量的207倍的μ子1947年找到真正的参与强相互作用的π介子质子中子质子中子质子7.4核的基态特征之二：核矩1.核自旋2.核子磁矩1924年Pauli提出原子核具有自旋----整体实验发现：偶偶核奇偶核奇奇核Bohr磁子质子磁矩波尔核磁子理论预言Stern实验结果核子磁矩中子不带电，中子内部有电荷分布与电子类似，磁矩方向与自旋方向相反3.核磁矩（磁偶极矩）基态氘核的磁矩S态2.5%考虑核子的轨道磁矩实验发现氘核基态不完全是S态核子磁矩与磁场的作用类比原子磁矩核磁共振核磁共振的实验装置电磁铁示波器延迟电路射频振荡器放大器核磁共振广泛用于测量核磁矩、电四极矩和自旋等。现代核磁共振仪的精度可达10-6，许多核磁矩就是用这一方法测得的。其也是目前精确测量磁场强度的重要方法之一。乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振谱核磁共振成像核磁共振成像的优点是：射频电磁波对人体无害，可获得内脏器官的功能状态、生理状态以及病变状态的情况等。神经胶质瘤患者头部的核磁共振断面像作为对照的同一患者头部的X射线断层像人体的核磁共振成像仪示意框图激发单元接收单元显示单元计算机磁体4.电四极矩点电荷e电势原子核电偶极矩为零氘核基态不完全是S态7.5核模型1.液滴模型把原子核看作是一个核电液滴可以很好解释原子核的裂变现象2.Fermi气体模型把核子看作是无相互作用的气体分子每个能级有两个质子（或中子）Fermi能级：基态时核子可以处的最高能级势阱中的粒子的能级3.壳层模型MayerJensen1949年壳层模型1963年诺贝尔物理学奖“幻数”核质子数或中子数等于2,8,20,28,50,82和中子数为126时的原子核特别稳定成功的解释了原子核幻数、基态的自旋和宇称以及衰变等成功应用实例独立地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。不能解释远离双幻核区域的

原子核磁矩、核电四极矩以及

跃迁概率等问题。这表明壳层模型中关于各核子彼此不足在势阱中加入自旋—轨道耦合项4.集体模型BohrMottelson1952年提出原子核的集体模型1975年诺贝尔物理学奖在50年代初，丹麦物理学家奥.玻尔等人提出了在考虑单粒子独立运动的同时，还必须考虑原子核发生转动和振动等集体运动的新模型—集体模型，或称为综合模型。第四节：衰变及其统计规律1、放射性的发现2、射线的成分和性质我们曾经介绍过，法国物理学家贝克勒尔在X射线的研究中。发现了放射性，他于1896年2月发表了关于某些元素具体放射性的论文紧接着居里夫妇加入了这个研究领域，并于1898年发现，钍与铀一样，也具有放射性，并在这一年又从沥青铀矿提炼出放射性更强的元素“钋”和“镭”；为此，居里夫妇与贝克勒尔共享了1903年的诺贝尔物理奖。为此，居里夫人又因为在这一领域内的突出贡献获1911年诺贝尔化学奖。衰变及其统计规律放射系第七章:原子核物理概论上一页下一页首页对所有的放射性元素放出的射线进行总结、归纳发现，射线分为三种，射线是原子核；射线是电子；射线是高能光子。三种射线各有自己的性质，射线能使气体电离，但穿透本领很小；3.衰变规律及其描述

1)衰变的统计规律及衰变常数：衰变是自发的，对于一个核素来说，何时衰变完全是偶然的，但对大量核就存在着必然的统计规律。射线电离本领较弱，但有较强的穿透本领；射线几乎没有电离本领，但穿透本领很强。第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页设时，未衰变的原子核是个，随时间的推移，衰变情况如下：

同时考虑到（其中是比例系数）它的物理意义是单位时间内的衰变几率，它标志着衰变的快慢。时刻尚未衰变的核在时间内，有个核衰变，则必有等式两边积分得这就是衰变所遵循的统计规律，程中引入的常数称衰变常数，可以表示为在此式推导过第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页2)半衰期，根据的定义，可以导出其表达式，在式中，，则t=，即解得可见与期越短不同放射性核素的半衰期是大不相同的原子核数目减半所经历的时间称半衰期，记作成反比，衰变常数越大，半衰。比如。令第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页3)平均寿命对某种放射物来说，有些核早衰变，有些核晚衰变，即有的寿命长，有的寿命短，平均寿命定义为而故亦即将代入衰变表达式得时刻未衰变核数目为：第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页可见，核的平均寿命比它的半衰期略长一点，它表示，未衰变核为原来核数目的37%，所经历的时间。4)放射性活度为了表示某放射源的放射性强弱，人们引入放射性活度A，定义为：放射物在单位时间内发生衰变的原子核数目，依此定义有第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页A的单位是：可见，放射物的放射性活度也是按指数规律衰减的，

，某放射物的A，不仅与它的半衰期有关，还与t时刻的N有关。可见，A反映了放射源的强弱。次核衰变/秒1贝克勒尔（Bq）=1次核衰变/秒1居里定义：第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页定义：某放射源的放射性活度A与其质量ｍ的比，即

表示了放射源样品的纯度，因为当A一定时,ｍ越小，纯度越高，而ｍ越大，纯度越低。的放射性活度约为，而目前生产的的比活度为，因此这种不纯的要想达到的放射性活度，至少需要1.714克。5)比活度比如，1克纯的

第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页6)半衰期的测定作为它的"手印"，通过Ａ的测量可以求得它的先测某一时刻的它的Ａ，再测所经历的时间t，该t就是它的，但是对于特别长的放射物，这种方法是行不通的，对放射性核素来说，是一个很重要的量，由

知，。方法第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页，取１ｍｇ可得Ａ＝740次衰变/min＝12.33Bq由可得故我们可以用如下的方法进行测量。例如，对于测它的Ａ，第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页比如质子半衰期解：依题意产次衰变/月＝１次衰变/年，假设每月测到一个质子衰变，需要多少水呢？A=1第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页个水分子，而每一个含有10个质子，所以18克水中含有个质子，所以N个质子对应的水质量为?可见，要50多吨水，每月才能观察到1次核衰变。我们知道，的分子量是18，即18克水中含有第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页1． 放射性衰变的位移定则衰变衰变2． 天然放射系，Ｘ称始祖元素，半衰期最长。其中Ｘ称为母核，Ｙ称为子核。某种元素X，经放射性衰变，变成B，如果B还是放射性的，又变为C，依次下去，直到变为一种稳定元素，就不再变了，则一系列元素构成一个放射系。衰变及其统计规律放射系第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论上一页下一页首页该系从（钍）开始经6次，4次衰变成

(铅);该系从(镎)开始经7次，4次衰变成（铋）;该系从(铀)开始经8次，6次衰变成（铅）；研究发现，自然界的放射性元素分成四个放射系，它们分别是2）镎系（A=4n+1系）1）钍系（A=4n系）3）铀系（A=4n+2系）第四节：衰变及其统计规律第七章

:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页该系从(铀)开始经7次，4次衰变成（铅）。由上面的讨论我们看到，衰变从始祖元素开始，是连续发生的，取一个衰变系中任一元素来看，它一方面从它的母体中得到补充，另一方面又向它的子体衰变。我们定义的过程是一个级联衰变。4）锕系（A=4n+3系）以上各系中，4n+x系表示所有核素的A均可表为4的整数倍加x。注：3.简单级联衰变的规律第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页在级联衰变中，每一级向下的衰变都满足上述指数规律因此故t时刻,A的减少量为B的减少量为考虑到A不断向B补充，所以B的纯“增量”为式中是包括得到补充后，尚未衰变的B核数目。(1)第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页的一阶非齐次上式中我们设上式的特解为该方程是关于线性方程.根据微分方程理论，它的通解可看成方程的一个特解和相应齐次方程的通解的迭加。代入得即特解为：第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页齐次方程，当子核寿命远小于母核寿命时，它的通解为：所以式的通解可以表示为为了满足初始条件故原方程的通解是此时近似有：第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页即子核与母核有相同的衰变规律，这为我们保存短寿命子核提供了一个有效方法-母、子同存。上式化为在二千多种核素中，有1600多种是人工方法制造的，人们在生产放射性核素时，生产的同时，衰变也在发生，怎样达到一个最佳的产出率呢？一方面，某种核素由于生产在增加，另一方面它也在衰变。4.同位素生产设某时刻未衰变的核为Ｎ，则式中P是人工生产率.第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页这是一阶非齐次常微分方程，设方程的一个特解是，代入得，齐次方程的通解为:故上面方程的解为，代入初始条件解得生产出的放射性同位素的放射性活度为由此式可见，时，时，放射性活度A并不随核反应的继续而增加。当后，；第四节：衰变及其统计规律第七章:原子核物理概论衰变及其统计规律放射系上一页下一页首页第五节：衰变衰变发生的条件及衰变能的测量设衰变过程的母核、子核和粒子的静质量分别是，则衰变前后，系统的总能量差为(1)因为衰变是自发的，所以要使衰变得以发生，必须这就是衰变的条件1.衰变条件即(2)衰变条件及其测量核能级第七章:原子核物理概论上一页下一页首页由于在许多核素表中给出的是原子质量，而不是核质量，我们用分别表示相应核素的原子质量，则有则(4)所以用原子质量表示的衰变条件为(5)(3)（2）式和（5）式在形式上是完全一致的。第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页在衰变过程中，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个单位的正电荷，所以可用如下的方法测量它的能量2.衰变能的测量将源放入磁场中，垂直纸面向里，粒子将作半径为的圆周运动。设粒子初速度是，则有，粒子能量为实验中测得，即得粒子的能量。，第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页能谱在上述实验中，感光底片上得到的并不是一条感光线，而是一组分立的感光线。这些分立的数值，构成了在衰变有两种能量的粒子：由此可见，从放射源出来的粒子能量是不连续的一些分立数值。能谱。中，例如1.衰变条件及其测量核能级第五节：衰变第七章:原子核物理概论上一页下一页首页上面我们定义的衰变能为即衰变前后系统的质量损。再比如在衰变中，有六种能量的粒子出射。事实上，衰变过程中，放出的总能量应该由三部分组成：2.衰变能和核能级：(2)第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页式中是出射粒子的能量，是子核的反冲动能,称衰变能.当子核到基态时，，此时的衰变能才等于总衰变能。下面我们寻求的表达式：设衰变前母核静止，动量为0，则所以子核反冲动能为故（3）式中A是母核质量数.第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页在（2）式中，是一定的，取一组分立值时,由（3）式可见相应的有一系列的分立值，因而子核激发能有一系列分立值，对应的子核到了不同的激发态.当子核从激发态会到基态时便有光子放出。比如求过程的核能级图和可能发射的光子能量。在实验中测得：第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页所以对应的子核到了基态，相应的衰变能即为总衰变能相对于子核基态的高度为4.879MeV，子核激发态高度为,即：同理所以实验中应该能观察到能量为的光子。这一能量的光子在实验中的确被测得。第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页右图通常称为衰变纲图；上、下两条水平线分别为母核和子核的基态；在这个之间的所有横线表示子核的各激发态，相应的能量标在横线的一侧；习惯上自母核的能级向左下画一带头的斜线表示衰变，箭头所指的能级就是衰变中生成的子核所处的能量状态。第五节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量核能级上一页下一页首页第六节：衰变衰变过程中,核子数不变，所以母核和子核属同量异位素;根据衰变过程中放出电子的不同，衰变分为放射性，放射性和轨道电子捕获(EC)三种类型。衰变能的分布以及衰变面临的难题因为粒子带一个单位电荷即所以可以用测量粒子衰变能量一样的方法测得粒子的能量，衰变能的测量衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图第七章:原子核物理概论上一页下一页首页设出射粒子动能为，总能量为，由实验可以得到粒子的强度与能量分布曲线.则又：解得：测得即得的大小。1)各种能量的粒子都有；2)有一极大值。第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页衰变连续谱导致了下列无法解释的难题：衰变面临的难题1）连续谱的出现与能量守恒以及核能级量子化相矛盾由衰变知核能级是量子化的，而衰变能是一定的，等于，一定的衰变能在核与粒子之间分配时，若粒子分得的能量是连续的，那就意味着核能级也是连续的，如果核能级不连续,那么在没有核能级的地方，系统能量不守恒；第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页2）与角动量守恒相矛盾核的自旋角动量是由质量数决定的。当为偶数时，自旋量子数为整数，否则为半整数。在衰变中，是不变的。所以的整数或半整数性不变。但电子具有的自旋，因此整个系统的角动量不守恒。除此之外，根据量子力学的不确定关系，不允许有电子在核内存在； 那么衰变放出的电子是从哪里来的，也是一个很难回答的问题。第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页1930年，泡利针对上述矛盾，大胆地提出了中微子假说。他预言，在衰变的同时，还发射一个自旋为，不带电,静质量几乎为0的粒子。称其为中微子，引入中微子之后，上述矛盾迎刃而解。并且人们在1956年从实验中找到了中微子。中微子的静质量几乎为0--不大于；穿透本领极大，在原子密度为的物质中，其平均自由程约为；即使在核物质中，平均自由程也达1km，因此，它穿越地球被俘获的几率是 ，它的自旋为中微子特性衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图第六节：衰变第七章:原子核物理概论上一页下一页首页实验测得，出射粒子的能量是连续的，核能级是分立的，所以总衰变能在粒子,中微子和子核之间进行分配。分配方案不外乎以下三种情况:引入中微子后，能量的分配方案第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页上面已经证明，原子核中是不能存在电子的。因此衰变时的电子是核内临时产生的，在俘获中，分别发生如下过程：引入中微子之后，电子的来源第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页衰变的条件及衰变纲图一般表示：仿照衰变，我们定义这一过程的衰变能为衰变的条件为，即（分别为母核、子核的原子质量）由此可见，只有当母核原子的质量大于子核原子质量时，才有可能发生衰变。1.衰变衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图第六节：衰变第七章:原子核物理概论上一页下一页首页一般表示：衰变能条件即一般表示式中表示核外i轨道上的电子，表示该轨道上电子的结合能2.衰变3.轨道电子俘获=第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页我们可以求得发生EC的条件是，同衰变一样，衰变也可以用衰变纲图表示，习惯上用两条横线分别表示母体和子体的原子核基态．两线之间的距离相当于母体和子体的能量差，从母体能级向下画一箭头线至子体能级表示衰变；向左下则表示电子俘获；而衰变则因为母体原子质量至少应比子体原子质量大时才有可能，故习惯上先从母体能级垂直向下画一线段，再折向左边画一箭头表示衰变．通常K俘获发生的几率最大．４.衰变纲图第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页三种衰变的纲图如图所示．第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页衰变变除上面讲到的几种情况之外１.中微子吸收２.双衰变，即一次放出两个光电子．还存在以下几种特殊的衰变方式：第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页３.延迟中子发射，即母核发生衰变后，得到不稳定的子核；子核又放出中子，变成它的同位素，有时缓发一个中子，有时释放两个中子4．延迟质子发射的粒子发射，即母核发生衰变后，得到不稳定的子核，以不同的几率放出质子和粒子，而变成其他的核素。。第六节：衰变第七章:原子核物理概论衰变条件及其测量中微子假设衰变纲图上一页下一页首页第七节：衰变通过上面的衰变我们知道，在衰变过程中。有的核处于基态，也有的核处于不同的激发态。衰变的一般性质原子核的退激，必然伴随有射线的放出，射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差。射线与射线的差别在于能量和产生的方式不同而已。Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七章:原子核物理概论上一页下一页首页射线产生于原子内层电子的跃迁；射线产生于激发态原子核的退激或正、负电子对的湮灭。第七章:原子核物理概论Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七节：衰变上一页下一页首页研究表明，内变换过程事实上是，原子核退激时，将多余的能量直接交给了核外电子，因此内变换电子来源于核外轨道电子。设原子核退激放出的能量是，则内变换的能量与层电子的结合能之间的关系为：衰变时的能量-强度分布曲线，本应是一条光滑曲线，但是在曲线的某些部位却出现了强度的尖峰。分析表明，这些电子不是内变换（）（）2）内变换电子的来源1）定义：衰变的电子，我们将此现象称为内变换，相应的电子称内变换电子。Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七章:原子核物理概论第七节：衰变上一页下一页首页在衰变中，子核可以到不同的激发态，一般来说，激发态的寿命是相当短的；但也有的激发态是亚稳态，寿命较长，这些处于亚稳态的核与处于基态的核和均相同。只是内部能量不同，它们有不同的平均寿命和半衰期。通常称其为同质异能素.同质异能素Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七章:原子核物理概论第七节：衰变上一页下一页首页

1.衰变中核的反冲效应：在衰变中，处于激发态的核由高能态向低能态跃迁时，子核与光子的总动量和总能量是守恒的，亦即子核具有一定的反冲动量和反冲能，下面我们来估算的大小.能量守恒：动量守恒：Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七章:原子核物理概论第七节：衰变上一页下一页首页其中对光子有,2.对核共振吸收的影响所以有故有:某核素发出的光子，是否对该核素引起共振吸收要比较能级宽度与的大小。由不确定关系可以求得，核能级宽度约为：可见，尽管很小，但是，更何况放出光子时,核带走了一部分能量，吸收光子发生核共振时，吸收核也有一个反冲，两次的能量关系分别为：第七章:原子核物理概论Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七节：衰变上一页下一页首页发射光子:3.效应：吸收光子:可见，实际发射线与要求的吸收线相差，若，则可以发生共振；当时，不可能发生共振吸收。1958年，德国物理学家发现：如果将放射性核素固定在晶体中，遭反冲的就不是单个原子核，而是整块晶体。此时由于m很大，所以；这时上述核共振吸收就可以发生，此称效应。第七章:原子核物理概论Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七节：衰变上一页下一页首页效应在高精度测量中，得到广泛的应用。例如，它对能量精度可以达到数量级，相当于测量地球到月亮之间的距离精确到0.01mm.例如半径为R的某星球放出光子，因为飞离星球时要克服星球的引力势做功，因此在远处接收到的光子能量较飞离时要小效应在物理、化学、生物学、地质学、冶金学等方面都得到了广泛的应用。，即发生红移，红移量一般小于量级，效应可对它作精确测量。第七章:原子核物理概论Y衰变的条件内变换同质异能量Mossbauer效应第七节：衰变上一页下一页首页第八节:核反应发射的粒子时发现，出射的粒子射程都在7cm左右。但有的粒子射程竟达40cm,这远远超出了粒子衰变能所能前进的距离。经过认真分析，Rutherford认为,长射程的不是粒子而是质子，他认为粒子同空气中的氮发生了核转变过程：人类第一次发现核反应是在1919年由Rutherford观察到的。他在研究(钋）核反应的发现这是人类发现的第一个核反应.核反应的发现守恒定律Q方程第七章:原子核物理概论上一页下一页首页的反应：同年在实验中发现了中子。从1934年起，开始了用中子照射包括铀在内的许多元素，并发现了核裂变。此后，关于核反应的研究迅速发展起来。实现了人工加速质子轰1931年，世界上第一台荷电粒子加速器投入运行，1932年，击第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q方程上一页下一页首页核反应的表示及守恒定律简示为：式中：T为靶核；i为入射粒子；R为剩余核；l为出射轻粒子。i和l可以是α粒子，质子、中子、氘核、γ光子等。1.核反应的一般表示：2.核反应遵从的守恒定律核反应的发现守恒定律Q方程第八节:核反应第七章:原子核物理概论上一页下一页首页1）电荷数守恒：2）质量数（核子数）守恒；，式中4）动量守恒：5）角动量守恒；3）总能量守恒（总质量并不守恒）：；6）宇称守恒。第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q方程上一页下一页首页1、核反应能的定义及吸、放能反应和则总能量守恒得即Q可以用两种方法求得

设I,T,l,R的静质量和动能分别为定义反应能为：（1）（2）核反应的发现守恒定律Q方程第八节:核反应第七章:原子核物理概论上一页下一页首页由于核质量表示为，而反应前后的总质子与中子数是相同的，若Q>0称放能反应；Q<0称吸能反应。，所以和可由实验测得，所以只要导出，即可得Q的表示，核反应过程中2.根据反应前后动能的改变量求Q通常情况下，靶核是处于静止状态的，即所以Q又可表示为第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q方程上一页下一页首页动量守恒：变成标量式得利用关系式，可得所以在Q方程中消去得这就是计算反应能的方程。（4）（5）（6）第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q方程上一页下一页首页在核反应中，测得及θ，即可求得Q，3.核反应的阈能中，；试问，当入射α粒子的动能为时,这个反应是否可以发生？再由（2）式去求未知核的质量。由上面的讨论知道，在反应回答是否定的！我们定义，能够引起核反应时，入射粒子所必须具有的最低能量，称为核反应的阈能。那么在核反应中，入射粒子至少应有多大的动能才能使反应得以进行呢？第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q方程上一页下一页首页为了求得这个阈能，我们可以从（6）式解出出射粒子的动能其中为了保证反应得以进行，必须存在且不等于0。由（7）式知对于放能反应，（7）为此必须有第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q方程上一页下一页首页当时，，所以，必有；而对于吸能反应，，若，至少要大于某一值以保证，才能保证的最小值就是核反应的阈能。决定，即易见Q=0时，有极小值，由此解得：反应的进行，它由第八节:核反应第七章:原子核物理概论核反应的发现守恒定律Q