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1、第七章 原子核物理概论主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：2 2 2 2、放射性衰变的基本规律、放射性衰变的基本规律、放射性衰变的基本规律、放射性衰变的基本规律3 3 3 3、三种衰变、三种衰变、三种衰变、三种衰变4 4 4 4、核反应、原子能、核反应、原子能、核反应、原子能、核反应、原子能1 1 1 1、原子核的基本性质、原子核的基本性质、原子核的基本性质、原子核的基本性质7.1、原子核物理的对象、原子核物理的对象核外电子核外电子-原子物理学原子物理学原子核原子核-原子核物理学原子核物理学一、原子的中心：一、原子的中心：原子核原子核l原子核对原子性质的主要贡献是原子核的原子核对原子性质的
2、主要贡献是原子核的质量质量和和电荷电荷，原，原子核的其他性质对原子的影响相当微小。子核的其他性质对原子的影响相当微小。l核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有关系。核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有关系。l除了物质的电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核和核除了物质的电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核和核外电子共同提供的。外电子共同提供的。原子和原子核是物质结构中泾渭分明的两个层次。原子和原子核是物质结构中泾渭分明的两个层次。元素的物理、化学性质、光谱特性元素的物理、化学性质、光谱特性核外电子核外电子放射现象放射现象原子核原子核与原子物理有关的现象在自然界中相当普遍；与原子物理有关的现象在
3、自然界中相当普遍；而与原子核有关的现象在自然界中相当罕见。而与原子核有关的现象在自然界中相当罕见。二、历史回顾二、历史回顾1896年，贝克勒尔发现放射性。年，贝克勒尔发现放射性。1897年，居里夫妇发现放射性元素钋和镭。年，居里夫妇发现放射性元素钋和镭。1899年，发现年，发现、射射线。线。1900年，发现年，发现射线。射线。1903年，卢瑟福证实年，卢瑟福证实射线是氦核，射线是氦核，射线是电射线是电子。子。1911年，提出原子的核式模型。年，提出原子的核式模型。1919年，实现人工核反应。年，实现人工核反应。1932年，查德威克发现中子。年，查德威克发现中子。1934年，约里奥年，约里奥.居
4、里夫妇发现人工放射性。居里夫妇发现人工放射性。1939年，发现铀原子核裂变。年，发现铀原子核裂变。1942年，发明热中子链式反应。年，发明热中子链式反应。1945年，原子弹。年，原子弹。1952年，氢弹。年，氢弹。1954年，苏联第一个原子能发电站。年，苏联第一个原子能发电站。1958年，我国第一座重水型原子反应堆。年，我国第一座重水型原子反应堆。1964年，我国第一原子弹试爆成功。年，我国第一原子弹试爆成功。1967年，我国第一氢弹试爆成功。年，我国第一氢弹试爆成功。三、原子核的组成三、原子核的组成1、原子核的质子、原子核的质子-电子假说电子假说卢瑟福提出原子的核型结构模型，揭开了研究原子核
5、的卢瑟福提出原子的核型结构模型，揭开了研究原子核的序幕。原子核带正电并且其质量是质子质量的整数倍这一实序幕。原子核带正电并且其质量是质子质量的整数倍这一实验事实，使人们确认质子是原子核的基本成员。验事实，使人们确认质子是原子核的基本成员。但是根据原子核的质量和电量分别去确定原子核所包含但是根据原子核的质量和电量分别去确定原子核所包含的质子数，结果是不一致的。的质子数，结果是不一致的。根据德布罗意假设和氦核的大小，可以算得电子的动量为根据德布罗意假设和氦核的大小，可以算得电子的动量为则则不可能！不可能！另外，原子核的质子另外，原子核的质子-电子假说也无法解释电子假说也无法解释核自旋核自旋的实验的
6、实验事实。以氮原子核为例，按照原子核的质子事实。以氮原子核为例，按照原子核的质子-电子假说，氮电子假说，氮核中应包含核中应包含14个质子和个质子和7个电子，粒子总数是个电子，粒子总数是21，因为质子，因为质子和电子的自旋都是和电子的自旋都是1/2，21个粒子合成的氮核的自旋是个粒子合成的氮核的自旋是21/2，而实际上氮核的自旋是，而实际上氮核的自旋是1。1932年查德威克年查德威克(j.chadwick,1891-1974)发现中子之发现中子之后，伊凡宁柯和海森伯立即提出原子核是由后，伊凡宁柯和海森伯立即提出原子核是由质子和中子质子和中子组成组成的假说。这个假说不仅解决了上述矛盾和困难，而且得
7、到各的假说。这个假说不仅解决了上述矛盾和困难，而且得到各方面实验的支持。方面实验的支持。质子常用质子常用p表示，它带有表示，它带有1个单位的正电荷，质量为个单位的正电荷，质量为1.007277u，是电子质量的，是电子质量的1836.1倍；中子常用倍；中子常用n表示，它表示，它不带电荷，质量为不带电荷，质量为1.008665u，是电子质量的，是电子质量的1838.1倍。倍。质子和中子统称为质子和中子统称为核子核子，海森伯认为质子和中子是核子，海森伯认为质子和中子是核子的两个不同状态，它们在的两个不同状态，它们在质量上的微小差异是由电性质的不质量上的微小差异是由电性质的不同所引起的同所引起的。在原
8、子核内，。在原子核内，中子中子是组成核的是组成核的稳定粒子稳定粒子，但在，但在原子核外，中子是不稳定的，一个自由中子的寿命是原子核外，中子是不稳定的，一个自由中子的寿命是888.6s，约为，约为15min，最后衰变为一个质子、一个电子和一个反中，最后衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子，即微子，即在原子核内，中子与质子之间也是可以互相转化的，在转在原子核内，中子与质子之间也是可以互相转化的，在转化过程中还会有其他粒子伴随产生。化过程中还会有其他粒子伴随产生。原子核的质量数和电荷数原子核的质量数和电荷数原子核的质量通常以原子质量单位原子核的质量通常以原子质量单位u为单位量度，为单位量度，u与与
9、kg之间的关系为之间的关系为测量结果表明，原子核的质量都接近整数，这个整数测量结果表明，原子核的质量都接近整数，这个整数称为称为原子核的质量数原子核的质量数，通常用，通常用A表示。原子核的质量是由表示。原子核的质量是由质子和中子共同提供的，由于质子和中子的质量相近，质子和中子共同提供的，由于质子和中子的质量相近，并且都接近并且都接近1u，所以，所以原子核的质量数就是该原子核所包原子核的质量数就是该原子核所包含的核子总数含的核子总数。原子核带正电，其电量原子核带正电，其电量q由它所包含的质子数由它所包含的质子数z决定，即决定，即式中式中e是电子电量的绝对值。是电子电量的绝对值。Z称为称为原子核的
10、电荷数原子核的电荷数，也就，也就是这种元素的是这种元素的原子序数原子序数。既然原子核是由质子和中子组成的，原子核所包含的既然原子核是由质子和中子组成的，原子核所包含的中子数中子数N必定等于总核子数必定等于总核子数A与质子数与质子数Z之差，即之差，即这样，任何一个原子核都可以用符号这样，任何一个原子核都可以用符号 来表示。来表示。例如，硼核中有例如，硼核中有11个核子，其中有个核子，其中有5个质子和个质子和6个中子，个中子，表示为表示为；铀核中有；铀核中有238个核子，其中有个核子，其中有92个质子和个质子和146个中子，表示为个中子，表示为等等。等等。通常把具有相同质子数通常把具有相同质子数Z
11、和相同中子数的一类原子，也和相同中子数的一类原子，也就是具有相同原子序数就是具有相同原子序数z和质量数和质量数A的一类原子称为一种的一类原子称为一种核核素素，实际上只要用，实际上只要用或或就足以表示一种特定的就足以表示一种特定的核素。核素。根据质量数根据质量数A、质子数、质子数Z和中子数和中子数N的不同，可以把核的不同，可以把核素分成以下几类：素分成以下几类：(1)同位素：同位素：是质子数是质子数Z相同而中子数相同而中子数N不同的核素，它们不同的核素，它们在周期表上占据同一个位置。自然界存在的元素往往是由在周期表上占据同一个位置。自然界存在的元素往往是由几种同位素所组成，并且各种同位素的含量有
12、一定的比例，几种同位素所组成，并且各种同位素的含量有一定的比例，这种比例称为这种比例称为同位素的丰度同位素的丰度。例如，自然界存在的氧有三种同位素，即例如，自然界存在的氧有三种同位素，即，它们的丰度分别为它们的丰度分别为99.759%、0.037%和和0.204%。再如，自然界存在的铀也有三种同位素，即再如，自然界存在的铀也有三种同位素，即，它们的丰度分别为它们的丰度分别为99.274%、0.720%和和0.006%。(3)同量异位素：同量异位素：是具有相同质量数是具有相同质量数A的核素，如的核素，如和和。(4)同质异能素：同质异能素：是具有相同质子数是具有相同质子数Z和相同中子数、但和相同中
13、子数、但所处能量状态不同的核素，一般是指处于激发态和基态所处能量状态不同的核素，一般是指处于激发态和基态的核素。的核素。(2)同中子异荷素：同中子异荷素：是具有相同中子数是具有相同中子数N、不同质子数、不同质子数Z的核的核素，如素，如和和。四、核素图四、核素图核素图是核科学与工程发展的基本核数据。核素图是核科学与工程发展的基本核数据。从核素图上可了解到多种核数据，例如：元素的从核素图上可了解到多种核数据，例如：元素的原子原子质量与原子序数质量与原子序数，稳定核素的丰度稳定核素的丰度、自旋与宇称自旋与宇称，放射性放射性核素的衰变模式核素的衰变模式、衰变分支比与半衰期衰变分支比与半衰期、Q值值等。
14、等。稳定线稳定线原子核的放射性是原子原子核的放射性是原子核自发进行的衰变过程的一核自发进行的衰变过程的一种表现，反映了原子核的不种表现，反映了原子核的不稳定性。稳定性。从核素图上可以看到，稳定的核素都分布在一个狭长的从核素图上可以看到，稳定的核素都分布在一个狭长的带状区域内，通过这个狭长带状区域的中心可以画一条光滑带状区域内，通过这个狭长带状区域的中心可以画一条光滑的曲线，这条曲线称为的曲线，这条曲线称为稳定线稳定线。稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素的稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素的稳定区稳定区。在在稳定线的起始段稳定线的起始段(核子核子数数AZ的方向。的方向。稳定线上侧
15、的区域是缺中子的核素区，这个区域的核稳定线上侧的区域是缺中子的核素区，这个区域的核素具有素具有放射性放射性(包括电子俘获包括电子俘获)或放射质子或放射质子；稳定线稳定线下侧的区域是丰中子的核素区，这个区域的核素具有下侧的区域是丰中子的核素区，这个区域的核素具有放放射性或放射中子射性或放射中子。这两个区域的核素经衰变后转变为更靠近。这两个区域的核素经衰变后转变为更靠近稳定线的核素。稳定线的核素。如果把不稳定核素区比作不稳定海洋，那么核素存在的区如果把不稳定核素区比作不稳定海洋，那么核素存在的区域就象是个半岛，目前已经发现的域就象是个半岛，目前已经发现的2700多种核素就处于这个多种核素就处于这个
16、半岛上。半岛上。1966年前后理论曾预言，在远离半岛的不稳定海洋年前后理论曾预言，在远离半岛的不稳定海洋中，在中，在z114附近应该存在一个超重元素稳定岛；附近应该存在一个超重元素稳定岛；1974年前年前后李政道预言，在不稳定海洋更遥远的地方存在一个比岛大后李政道预言，在不稳定海洋更遥远的地方存在一个比岛大得多的得多的“稳定洲稳定洲”，那里有成千上万种稳定核素。这些预言，那里有成千上万种稳定核素。这些预言都有待于实验的进一步验证。都有待于实验的进一步验证。7.2、核的基态特性之一：核质量、核的基态特性之一：核质量一、一、“1+1=2”原子核的质量并不等于质子和中子的质量之和。原子核的质量并不等
17、于质子和中子的质量之和。例如：氘核例如：氘核中子质量：中子质量：质子质量：质子质量：氘核质量：氘核质量：则则中子和质子组成氘核时，会释放出一部分能量。中子和质子组成氘核时，会释放出一部分能量。自由质子与中子结合成氘核时质量的减少值，称为自由质子与中子结合成氘核时质量的减少值，称为质量亏损质量亏损。质量亏损质量亏损此过程中，亏损的静质量转换为运动质量。此过程中，亏损的静质量转换为运动质量。Z个质子与个质子与N个中子组成原子核个中子组成原子核时，所发生时，所发生的质量亏损为的质量亏损为二、结合能二、结合能我们已经知道，原子核中的核子是依靠核力的作用紧我们已经知道，原子核中的核子是依靠核力的作用紧密
18、地结合在一起的，显然，若要把它们分散开来，外界必密地结合在一起的，显然，若要把它们分散开来，外界必须为克服核力而作功。反之，孤立核子若结合成原子核，须为克服核力而作功。反之，孤立核子若结合成原子核，必定要放出一定的能量，这部分能量与先前为拆散它们外必定要放出一定的能量，这部分能量与先前为拆散它们外界所作的功是相等的。界所作的功是相等的。孤立核子组成原子核时所放出的能量，就称为孤立核子组成原子核时所放出的能量，就称为原子核原子核的结合能的结合能。如果一个原子核的质量为如果一个原子核的质量为m，那么其，那么其结合能结合能B满足满足或或即当核子结合成原子核时，因质量亏损而必然有相应的即当核子结合成原
19、子核时，因质量亏损而必然有相应的能量释放出来；相反，如果将原子核拆散成自由核子，能量释放出来；相反，如果将原子核拆散成自由核子，则必须由外界提供原子核同样大小的能量。则必须由外界提供原子核同样大小的能量。根据狭义相对论质能关系式根据狭义相对论质能关系式可知，质量的改变必然伴随能量的改变。可知，质量的改变必然伴随能量的改变。例：氦（例：氦（）原子和铍（）原子和铍（）原子的质量分）原子的质量分别是别是4.002605u和和9.012183u，试计算氦核和铍核的结合，试计算氦核和铍核的结合能。已知能。已知1uc2=931.5MeV。解：解：对氦（对氦（）核，）核，Z=2，N=2，结合，结合能能对铍（
20、对铍（）核，）核，Z=4，N=5，结合，结合能能比结合能比结合能原子核的结合能越大，核子之间的结合就越牢固，原原子核的结合能越大，核子之间的结合就越牢固，原子核就越稳定。为了比较不同原子核的稳定程度，我们引子核就越稳定。为了比较不同原子核的稳定程度，我们引入核子的入核子的平均结合能平均结合能，定义为原子核的结合能与原子核内，定义为原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数之比，即所包含的总核子数之比，即核子的平均结合能越大，原子核就越稳定。例如，氘核的结核子的平均结合能越大，原子核就越稳定。例如，氘核的结合能为合能为2.23Mev，核子的平均结合能为，核子的平均结合能为1.11Mev，而氦核的，
21、而氦核的结合能为结合能为28.28Mev，核子的平均结合能为，核子的平均结合能为7.07Mev，显然，显然氦核比氘核更稳定。氦核比氘核更稳定。核的结合能图核的结合能图上图画出了核子平均结合能上图画出了核子平均结合能 随质量数随质量数A的变化，此图的变化，此图称为称为核的结合能图核的结合能图。由图可见，较轻的核和较重的核的核子。由图可见，较轻的核和较重的核的核子平均结合能较小，稳定性较差，而中等质量的核的核子平均平均结合能较小，稳定性较差，而中等质量的核的核子平均结合能较大，都在结合能较大，都在8Mev上下，所以最稳定。可以设想，如上下，所以最稳定。可以设想，如果将结合能小的核转变为结合能大的核
22、，必定会释放出能量。果将结合能小的核转变为结合能大的核，必定会释放出能量。例：已知例：已知原子的质量为原子的质量为235.043944u，试计算其，试计算其结合能和比结合能。结合能和比结合能。解：解：结合能为结合能为则比结合能为则比结合能为7.3、核力、核力一、一般性质一、一般性质我们知道，原子核中核子的平均结合能高达我们知道，原子核中核子的平均结合能高达8.6MeV，比电，比电子在原子或分子中的结合能几个或几十个电子伏大得多。子在原子或分子中的结合能几个或几十个电子伏大得多。核子之间除了万有引力作用之外，还存在电磁力作用，核子之间除了万有引力作用之外，还存在电磁力作用，但是核子之间的万有引力
23、与电磁力相比，是可以忽略的。于但是核子之间的万有引力与电磁力相比，是可以忽略的。于是我们可以设想，如若核子之间没有更大的引力作用把它们是我们可以设想，如若核子之间没有更大的引力作用把它们紧密地束缚在一起，质子之间的强烈静电斥力作用只能使原紧密地束缚在一起，质子之间的强烈静电斥力作用只能使原子核解体。子核解体。核子之间的这种更大的引力就是核子之间的这种更大的引力就是核力核力，也就是核子之，也就是核子之间的强相互作用。间的强相互作用。核力使核子结合成原子核，核力问题是了解原子核结核力使核子结合成原子核，核力问题是了解原子核结构和性质最关键的问题。但核力的性质目前还没有完全搞构和性质最关键的问题。但
24、核力的性质目前还没有完全搞清楚，仍是一个需要进一步探索的课题。经过几十年的实清楚，仍是一个需要进一步探索的课题。经过几十年的实验观察和理论研究，人们了解了核力的许多性质。验观察和理论研究，人们了解了核力的许多性质。1、短程力、短程力实验表明，只有当核子之间的距离等于或小于实验表明，只有当核子之间的距离等于或小于10-15m数量级时，核力才表现出来。可见，核力的作用力程数量级时，核力才表现出来。可见，核力的作用力程(或称或称核力的作用半径核力的作用半径)比原子核的线度还要小，故为比原子核的线度还要小，故为短程力短程力。核力与液体中分子之间的作用力很相似，任一核子不可核力与液体中分子之间的作用力很
25、相似，任一核子不可能与核内所有核子都发生核力作用，而只能与核内相邻近的能与核内所有核子都发生核力作用，而只能与核内相邻近的核子发生核力作用。核子发生核力作用。2、饱和性、饱和性正因为核力是短程力，只作用于相邻的核子，所以正因为核力是短程力，只作用于相邻的核子，所以表现出正比于原子核的质量数表现出正比于原子核的质量数A的规律。的规律。即比结合能的值近似为常数，不随即比结合能的值近似为常数，不随A的增加而增加，的增加而增加，达到了饱和值。可以说，核力的饱和性必然要求核力为达到了饱和值。可以说，核力的饱和性必然要求核力为短程力。短程力。短程性和饱和性是核力最重要的两个特性。短程性和饱和性是核力最重要
26、的两个特性。3、强相互作用、强相互作用核力的强度必须足以克服质子之间的静电斥力而把它核力的强度必须足以克服质子之间的静电斥力而把它们紧密地束缚在一起。事实表明，核力的作用强度比电磁们紧密地束缚在一起。事实表明，核力的作用强度比电磁力的强度约大力的强度约大100倍倍;是万有引力的是万有引力的1038倍。倍。4、核力与电荷无关、核力与电荷无关大量实验事实表明，在原子核内，无论中子与中子之大量实验事实表明，在原子核内，无论中子与中子之间，质子与质子之间，还是中子与质子之间，表现的核力间，质子与质子之间，还是中子与质子之间，表现的核力是相同的，与核子是否带电无关。是相同的，与核子是否带电无关。5、核力
27、在极短程内存在斥心力、核力在极短程内存在斥心力由质子被质子散射和质子被中子散射的实验研究显示，由质子被质子散射和质子被中子散射的实验研究显示，当两核子的间距大于当两核子的间距大于10fm时，核子间完全无核力作用；时，核子间完全无核力作用；当两核子的间距在当两核子的间距在0.82.0fm时，核力明显地表现为引力；时，核力明显地表现为引力；当两核子的间距小于当两核子的间距小于0.8fm时，核力表现为强烈的斥力作时，核力表现为强烈的斥力作用。用。而对这种斥心力的细节，目前尚无认识。正是由于这而对这种斥心力的细节，目前尚无认识。正是由于这种斥力作用的存在，才使所有原子核具有相同的密度。种斥力作用的存在
28、，才使所有原子核具有相同的密度。6、核力与自旋有关、核力与自旋有关两核子之间的核力与它们的自旋的相对取向有关。两核子之间的核力与它们的自旋的相对取向有关。二、核力的介子理论二、核力的介子理论量子电动力学揭示，带电粒子间是通过电磁量子电动力学揭示，带电粒子间是通过电磁场而进行电磁相互作用的，电磁场是量子化的，场而进行电磁相互作用的，电磁场是量子化的，其场量子就是光子，即带电粒子间通过交换光其场量子就是光子，即带电粒子间通过交换光子而发生相互作用。子而发生相互作用。那么核子之间的相互作用是通过什么传递的呢？如果那么核子之间的相互作用是通过什么传递的呢？如果也是通过某种场传递的，那么这是一种什么场？
29、这种场的也是通过某种场传递的，那么这是一种什么场？这种场的量子又是什么呢？量子又是什么呢？The Nobel Prize in Physics 1949提出介子理论提出介子理论(YukawaHideki19071981)1935年，日本理论物理学家汤川秀树年，日本理论物理学家汤川秀树(1907-1981)把把核力与电磁力相类比提出了核力的核力与电磁力相类比提出了核力的介子场理论介子场理论，回答了这，回答了这些问题。些问题。介子场理论认为，核力也是一种交换力，是通过介子介子场理论认为，核力也是一种交换力，是通过介子场传递的，介子场的量子是介子，汤川秀树预言了这种介场传递的，介子场的量子是介子，汤
30、川秀树预言了这种介子的静质量大约是电子质量的子的静质量大约是电子质量的270倍。由于质量介于质子倍。由于质量介于质子质量和电子质量之间，故命名为质量和电子质量之间，故命名为介子介子。直到汤川秀树提出核力的介子场理论之后十二年，于直到汤川秀树提出核力的介子场理论之后十二年，于1947年鲍威尔年鲍威尔(c.f.powell,1903-1969)等人才在宇宙射等人才在宇宙射线中发现了这种传递核力的线中发现了这种传递核力的介子。介子。介子有三种，介子有三种，、和和，和和的质量都是电子质量的的质量都是电子质量的273.3倍，倍，的质量是电子质量的的质量是电子质量的264倍。倍。介子传递核力的情形可以用介
31、子传递核力的情形可以用费曼图费曼图表示，表示，在前两种情况中，相当在前两种情况中，相当于两个发生核力作用的核子于两个发生核力作用的核子互相交换了位置，所以表现互相交换了位置，所以表现为为交换力交换力；后两种情况是通；后两种情况是通过释放、吸收过释放、吸收实现的，实现的，核子不变，表现为非交换力，核子不变，表现为非交换力，属于属于寻常力寻常力。可见，核力是交换力和寻常力的混合。可见，核力是交换力和寻常力的混合。由于核子不断地发射由于核子不断地发射介子，在核子周围形成介子，在核子周围形成介子云，在极短时间内被邻近的核子吸收，或者又被核子介子云，在极短时间内被邻近的核子吸收，或者又被核子自身吸收，于
32、是相邻核子之间频繁地交换自身吸收，于是相邻核子之间频繁地交换介子，这正介子，这正是是核力产生的根源核力产生的根源。7.6、放射性衰变的基本规律、放射性衰变的基本规律目前已知的两千七百多种核素中，绝大多数是不稳定目前已知的两千七百多种核素中，绝大多数是不稳定的。不稳定的核素要自发地变化，转变为另一种核素，同的。不稳定的核素要自发地变化，转变为另一种核素，同时还要释放出一定的粒子流，这种性质称为时还要释放出一定的粒子流，这种性质称为放射性衰变放射性衰变。核素在衰变过程中释放出来的粒子流，称为核素在衰变过程中释放出来的粒子流，称为射线射线。具有放。具有放射性的同位素，称为射性的同位素，称为放射性同位
33、素放射性同位素。放射性同位素有天然。放射性同位素有天然的，也有人工的。的，也有人工的。放射性衰变的种类主要有以下几种：放射性衰变的种类主要有以下几种：(1)衰变：放出氦核衰变：放出氦核的过程。的过程。(2)衰变：衰变：衰变是放出电子衰变是放出电子(e-)和反中微子和反中微子的过程。的过程。衰变是放出正电子衰变是放出正电子(e+)和中微子和中微子的过程。的过程。电子俘获电子俘获(EC)是原子核俘获一个核外电子的过程。是原子核俘获一个核外电子的过程。(3)衰变：即衰变：即跃迁，是放出波长很短的电磁辐射的过跃迁，是放出波长很短的电磁辐射的过程。程。内转换（内转换（IC），就是原子核把激发能直接交给核
34、外电子，），就是原子核把激发能直接交给核外电子，使电子离开原子的过程。使电子离开原子的过程。(4)自发裂变自发裂变(SF)：原子核自发地裂变为两个或多个质量相：原子核自发地裂变为两个或多个质量相近的原子核。近的原子核。(5)几种罕见的衰变模式。几种罕见的衰变模式。一、指数衰变律一、指数衰变律在衰变过程中，不断由一种核在衰变过程中，不断由一种核(称为称为母核母核)转变为另一种转变为另一种核核(称为称为子核子核)，同时放出射线。随着母核数目的减少，放，同时放出射线。随着母核数目的减少，放出的射线的强度也必定相应变弱。实验发现，无论母核数出的射线的强度也必定相应变弱。实验发现，无论母核数目的减少，还
35、是射线强度的减弱，都遵从指数衰减的规律。目的减少，还是射线强度的减弱，都遵从指数衰减的规律。假如在假如在t时刻放射性核素中包含的母核的数目为时刻放射性核素中包含的母核的数目为n，经过了，经过了dt时间，母核减少了时间，母核减少了dN。显然，母核减少的数目应正比于。显然，母核减少的数目应正比于t时刻母核的数目时刻母核的数目N，也应正比于衰变经历的时间，也应正比于衰变经历的时间dt，于是引，于是引入比例系数入比例系数后，可写为下面的等式后，可写为下面的等式比例系数比例系数称为衰变常量，表示母核随时间衰减的快慢，称为衰变常量，表示母核随时间衰减的快慢，对确定的放射性核素和确定的衰变方式，对确定的放射
36、性核素和确定的衰变方式，是常量。是常量。上式中分子是单位时间内发生衰变的原子核数，分母是上式中分子是单位时间内发生衰变的原子核数，分母是当时的原子核总数，可见，衰变常量当时的原子核总数，可见，衰变常量也表示也表示一个原一个原子核在单位时间内发生衰变的概率子核在单位时间内发生衰变的概率。所以，衰变常量所以，衰变常量 是放射性核素的一个特征量。是放射性核素的一个特征量。式中式中N0是是t=0时母核的数目。上式所表示的规律，就是时母核的数目。上式所表示的规律，就是衰变过程所遵从的指数衰减规律衰变过程所遵从的指数衰减规律。二、半衰期二、半衰期半衰期这个量也常用来表示放射性随时间衰减的快慢，半衰期这个量
37、也常用来表示放射性随时间衰减的快慢，定义为定义为放射性核素母核数目衰变掉一半所需要的时间放射性核素母核数目衰变掉一半所需要的时间，或，或者者放射性活度减弱一半所需要的时间放射性活度减弱一半所需要的时间，用，用 表示。表示。在在t=T1/2时，时，N=N0/2，有，有可见，可见，T1/2与与 成反比。成反比。T1/2也是放射性核素的特征量。也是放射性核素的特征量。三、平均寿命三、平均寿命对于某种确定的放射性核素，其中有些核素早变，有对于某种确定的放射性核素，其中有些核素早变，有些晚变，寿命不一样，因此可以通过计算它们的些晚变，寿命不一样，因此可以通过计算它们的平均寿命平均寿命来进行统计。来进行统
38、计。初始时刻初始时刻(t=0)母核数目为母核数目为N0，经过，经过t时间，母核数目时间，母核数目为为，在，在t到到t+dt衰变掉的母核数为衰变掉的母核数为，这些母核的寿命都是，这些母核的寿命都是t，它们的寿命之和为，它们的寿命之和为，对于初始时刻的所有母核来说，寿命从零到无限大都可能，对于初始时刻的所有母核来说，寿命从零到无限大都可能存在，所以它们的寿命之和为存在，所以它们的寿命之和为那么，核的平均寿命为那么，核的平均寿命为可见，可见，平均寿命是衰变常量的倒数，是半衰期的平均寿命是衰变常量的倒数，是半衰期的1.44倍倍。立即可以得到立即可以得到这表示，经过相当于平均寿命这表示，经过相当于平均寿
39、命 的时间，剩下的母核数的时间，剩下的母核数目仅为原先的目仅为原先的37%。当粒子的运动速率接近光速时，从实验室参考系观测到当粒子的运动速率接近光速时，从实验室参考系观测到的粒子的寿命将比一般数据表中给出的值大，也就是说，的粒子的寿命将比一般数据表中给出的值大，也就是说，高高速飞行的粒子寿命变长了速飞行的粒子寿命变长了。四、四、是放射性核素的特征量是放射性核素的特征量实验表明，原子核的放射性是原子核自身性质的反映，其实验表明，原子核的放射性是原子核自身性质的反映，其特征量以及所遵从的规律特征量以及所遵从的规律不受外界条件不受外界条件(如温度、压强和磁场如温度、压强和磁场等等)的影响，也不会由于
40、核是处于单质中或是处于化合物中而的影响，也不会由于核是处于单质中或是处于化合物中而有所变化有所变化。衰变常量衰变常量 、半衰期、半衰期 和平均寿命和平均寿命 ，三个量之，三个量之间存在一定联系，只要知道了其中一个，另外两个也就完全确间存在一定联系，只要知道了其中一个，另外两个也就完全确定了，它们中的任何一个都可以作为放射性核素的特征量。每定了，它们中的任何一个都可以作为放射性核素的特征量。每一种放射性核素都具有特定一种放射性核素都具有特定 值值(或或 值，或值，或 值值)，我们可以根据测量的我们可以根据测量的 值，来判断是哪种放射性核素。值，来判断是哪种放射性核素。五、放射性活度（五、放射性活
41、度（Activity）放射性活度这一物理量用以表示放射性的强弱程度，放射性活度这一物理量用以表示放射性的强弱程度，定义为定义为单位时间内发生衰变的核的数目单位时间内发生衰变的核的数目。按照这个定义，。按照这个定义，放射性活度放射性活度A可以表示为可以表示为或或式中式中，是，是t=0时的放射性活度。上式表示，时的放射性活度。上式表示，放射性活度也是随时间按指数规律衰减的放射性活度也是随时间按指数规律衰减的。在国际单位制中，放射性活度的单位是在国际单位制中，放射性活度的单位是bq(贝克勒尔贝克勒尔)，它的定义是，它的定义是，若在若在1s内有内有1个核衰变个核衰变，则此时该核素的放射，则此时该核素的
42、放射性活度就是性活度就是1Bq，即，即这个单位显然是太小了，所以常用这个单位显然是太小了，所以常用kBq(千贝克勒尔千贝克勒尔)和和MBq(兆贝克勒尔兆贝克勒尔)作单位。放射性活度的常用单位是作单位。放射性活度的常用单位是Ci(居里居里)，它与，它与Bq关系是关系是居里这个单位又太大了，实际应用中常用居里这个单位又太大了，实际应用中常用mCi(毫居里毫居里)和和(微居里微居里)作单位。作单位。7.7、衰变衰变一、一、衰变的条衰变的条件件粒子就是氦原子核粒子就是氦原子核，包含两个质子和两个中，包含两个质子和两个中子。母核经子。母核经衰变放出一个衰变放出一个粒子，自身转变为电荷数比粒子，自身转变为
43、电荷数比母核少母核少2，质量数比母核少，质量数比母核少4的子核。的子核。所以，所以，衰变可以表示为衰变可以表示为式中式中x和和y分别表示母核和子核。分别表示母核和子核。镭核经镭核经衰变转变为氡的过程为衰变转变为氡的过程为实验表明，在实验表明，在衰变中，每一种母核都放出一种或多衰变中，每一种母核都放出一种或多种单一能量的种单一能量的粒子，也就是说，粒子，也就是说，粒子的粒子的能谱总是分能谱总是分立谱立谱。这是。这是衰变的一个重要特点。衰变的一个重要特点。衰变能衰变能是研究衰变过程的重要物理量，它定义为是研究衰变过程的重要物理量，它定义为原子核原子核衰变时所释放出的能量衰变时所释放出的能量。显然，
44、这部分能量将转变为衰变生成的所有粒子的动能。显然，这部分能量将转变为衰变生成的所有粒子的动能。当静止的母核发生当静止的母核发生衰变时，按照能量守恒定律，应满足下衰变时，按照能量守恒定律，应满足下面的关系面的关系所以衰变能为所以衰变能为将上式中核的质量变换成相应的原子的质量，得将上式中核的质量变换成相应的原子的质量，得显然，显然，衰变能够发生的条件是衰变能够发生的条件是E00，也就是，也就是这表示，母核原子的质量必须大于子核原子与氦原子的这表示，母核原子的质量必须大于子核原子与氦原子的质量之和，质量之和，7.8、衰变衰变衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变。主要衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰
45、变。主要包括：包括：衰变，衰变，衰变和轨道电子俘获（衰变和轨道电子俘获（EC）。）。一、一、衰变面临的难题衰变面临的难题1、核能级是分立的，但、核能级是分立的，但射线的能谱却是连续的。射线的能谱却是连续的。2、不确定关系不允许核内有电子，那么、不确定关系不允许核内有电子，那么衰变放出衰变放出的电子从哪里来？的电子从哪里来？二、中微子假说二、中微子假说根据上述情况，泡利于根据上述情况，泡利于1930年提出了中微子假说，即认年提出了中微子假说，即认为，为，在在衰变中伴随着每一个电子还释放出一个很轻的中衰变中伴随着每一个电子还释放出一个很轻的中性粒子，性粒子，这个中性粒子称为这个中性粒子称为中微子中
46、微子。由于它是伴随电子而产。由于它是伴随电子而产生的，故称生的，故称电子中微子电子中微子，用符号，用符号表示。表示。是其反粒子，是其反粒子，称为称为反电子中微子反电子中微子。中微子假说使中微子假说使射线能量连续谱的实验事实得到了圆射线能量连续谱的实验事实得到了圆满解释。满解释。在在衰变过程中衰变过程中由于子核的质量比电子和中微子的大得多，所以反由于子核的质量比电子和中微子的大得多，所以反冲动能非常小，于是可以认为衰变能冲动能非常小，于是可以认为衰变能E0主要在主要在电子电子和和中中微子微子之间分配。之间分配。中微子动能大，电子的动能就小；中微子动能小，中微子动能大，电子的动能就小；中微子动能小
47、，电子的动能就大。所以，测得电子的动能可为从零到最电子的动能就大。所以，测得电子的动能可为从零到最大值大值之间的任意值。之间的任意值。如果母核衰变前是静止的，动量为零，那么衰变后生如果母核衰变前是静止的，动量为零，那么衰变后生成的三个粒子的动量的矢量之和也必定等于零。这样，子成的三个粒子的动量的矢量之和也必定等于零。这样，子核的反冲方向一般就不会与电子的运动方向在同一条直线核的反冲方向一般就不会与电子的运动方向在同一条直线上了。上了。应用中微子假说，虽然圆满地解释了应用中微子假说，虽然圆满地解释了衰变中的实衰变中的实验现象，但是电子存在于原子核内的问题仍然没有解决。验现象，但是电子存在于原子核
48、内的问题仍然没有解决。再加上中微子质量很小，又不带电荷，一时很难证实它的再加上中微子质量很小，又不带电荷，一时很难证实它的存在，所以不少人怀疑这个假说的真实性。可是，费米不存在，所以不少人怀疑这个假说的真实性。可是，费米不仅支持这个假说，而且在这个假说的基础上提出了仅支持这个假说，而且在这个假说的基础上提出了弱相互弱相互作用的作用的衰变理论衰变理论。中微子是在泡利提出假说之后二十几年，才在实验中中微子是在泡利提出假说之后二十几年，才在实验中直接观察到的。费米的直接观察到的。费米的弱相互作用的弱相互作用的衰变理论衰变理论自自1934年提出至今，已经受了半个多世纪以来各方面实验的考验，年提出至今，
49、已经受了半个多世纪以来各方面实验的考验，被誉为物理学中最出色的理论之一。被誉为物理学中最出色的理论之一。三、三、衰变衰变这种衰变可以表示为这种衰变可以表示为即母核中的一个中子发生衰变转变为一个质子并放出一个即母核中的一个中子发生衰变转变为一个质子并放出一个电子电子e-和一个反电子中微子和一个反电子中微子，子核的电荷数变为，子核的电荷数变为z+1，而质量数保持不变。，而质量数保持不变。与与衰变类似，衰变能可以表示衰变类似，衰变能可以表示为为这表示衰变能等于母核原子与子核原子的静质能之差。这表示衰变能等于母核原子与子核原子的静质能之差。因此，发生因此，发生衰变的条件衰变的条件是是这就是说，这就是说
50、，只有当母核原子的质量大于子核原子的质量只有当母核原子的质量大于子核原子的质量时，时，衰变才能发生衰变才能发生。例如，氚的例如，氚的衰变衰变纲图规则：纲图规则：Z小左画，小左画，Z大右画大右画3H(T=12.33a)-18.6keV(100%)3He四、四、衰变衰变这种衰变可以表示为这种衰变可以表示为即母核中一个质子发生衰变转变为一个中子并放出一个正即母核中一个质子发生衰变转变为一个中子并放出一个正电子电子e+和一个电子中微子和一个电子中微子，子核的电荷数变为，子核的电荷数变为z-1，而，而质量数保持不变。质量数保持不变。其衰变能为其衰变能为这表示衰变能等于母核原子与子核原子的静能之差再减去这