2016-08-19 14:37:15

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原子核物理
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核衰变(nuclear decay),是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。1896年法国科学家A.H.贝可勒尔研究含铀矿物 质的荧光现象时,偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线,这就是衰变产生的射线。除了天然存在的放射性核素以外,还存在大量人工制造的其他放射性核素。放射性的类型除了放射α、β、γ粒子以外,还有放射正电子、质子、中子、中微子等粒子以及自发裂变、β缓发粒子等等。

基本信息

  • 中文名

    核衰变

  • 时    间

    1896年

  • 研究者

    A.H.贝可勒尔

  • 国    家

    法国

目录

折叠 编辑本段 简介

​核衰变(nuclear decay),是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。1896年法国科学家A.H.贝可勒尔研究含铀矿物 质的荧光现象时,偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线,这就是衰变产生的射线。除了天然存在的放射性核素以外,还存在大量人工制造的其他放射性核素。放射性的类型除了放射α、β、γ粒子以外,还有放射正电子、质子、中子、中微子等粒子以及自发裂变、β缓发粒子等等。

法国1896年科学家A.H.贝可勒尔研究含矿物 质的荧光现象时,偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线。不久人们发现其他原子序数很高的重元素如钍、镭等的盐类也具有放射性。经过多年细致研究,弄清楚这种放射性是铀、钍、镭等原子核的性质,与环境温度以及所处的化学状态无关;放射性放出的射线有3种:①α射线,具有最强的电离作用,穿透本领很小,在云室中留下粗而短的径迹。②β射线,电离作用较弱,穿透本领较强,云室中的径迹细而长。③γ射线,电离作用最弱,穿透本领最强,云室中不留痕迹。进一步研究表明,α射线中放射的粒子电荷数为2质量数为4的氦核He,β射线中放射的粒子是带负电的电子,γ射线是波长很短的电磁波。不稳定的放射性核放射出射线后衰变为另一种核或衰变为能量较低的核,放射过程中遵从电荷守恒、质量数守恒和能量守恒

放射性在许多学科的研究中都有重要应用。

自发放射α粒子的核衰变过程。α粒子是电荷数为2、质量数为4的氦核嬆He。α衰变可一般地表示为AZX─→+嬆He,式中AZX为母核;为放射α粒子后剩余的子核。根据母核、子核及氦核的静质量,衰变过程发生质量亏损,Δm=mX-mY-mα>0,与此质量亏损相应的能量Δm·c2称为衰变能,大约为Ω兆电子伏特(MeV)量级,其中98%以上是α粒子动能,只有不足2%表现为子核的反冲动能。实际上根据放射α粒子的动能测量,发现大部分核素放出的α粒子可分为能量具有不同确定值的几群,例如Bi衰变成Tl共放出能量不同的六群α粒子,这说明子核具有离散的能级结构,能量最大的对应于Bi的基态跃迁到Tl的基态,其他的对应于跃迁到Tl的激发态,其中前者的相对强度较大;也有的核素可以从母核的不同能态跃迁到子核的基态,其特点是α粒子能量较低的跃迁较强。

不同核素α衰变的半衰期分布较广,从1微秒(μs)到1017秒(s),一般的规律是衰变能较大,则半衰期较短;反之,衰变能较小,则半衰期较长。衰变能的微小改变,引起半衰期的巨大变化。α衰变是量子力学隧道效应的结果,半衰期随衰变能变化的规律可以根据隧道效应予以说明。计算表明,α粒子和子核的库仑势垒高达20MeV,α粒子的能量虽小于此值,但由于隧道效应,α粒子有一定的几率穿透势垒,跑出原子核。α粒子的能量越大,穿透势垒的几率越大,即衰变几率越大,从而半衰期越短。由于能量因子出现在指数上,因而它的微小变化,引起半衰期的巨大变化。这是量子力学研究原子核的最早成就之一。

α衰变主要限于一些重核素。α衰变能谱的研究提供了核结构的信息。

β 原子核自发耗散其过剩能量使核电荷改变一个单位而质量数不改变的核衰变过程。分为放出一个电子的β-衰变、放出一个正电子的β+衰变和俘获一个轨道电子的轨道电子俘获(EC)3种类型,

A2X→A2+1Y+e-+νe (β-衰变)[注意:A2+1,2-1都在Y的左上和左下]

A2X→A2-1Y+e++νe (β+衰变)[-+在e的右上方。e在v的右下方]

A2X+e-→A2-1Y+νe (EC)[A2分别在X左上方和左下方]

式中X和Y分别代表母核和子核;A和Z是母核质量数和电荷数;e-、e+为电子和正电子,νe、νe为电子中微子和反电子中微子。三种类型释放的衰变能分别为:

Qβ-=(mX-mY)c2[注意:xye都在m的右下]

Qβ+=(mX-mY-2me)c2[2在c右上,i在w右下]

QEC=(mX-mY)c2-wi[-+在q右上,贝塔ec在q右下]

式中mX、mY分别为母核原子和子核原子的静质量;me为电子静质量;wi为轨道电子结合能;c为真空光速。

轨道电子俘获可俘获K层电子,称为K俘获;也可以俘获L层电子,称为L俘获。轨道电子俘获所形成的子核原子由于缺少一个内层电子而处于激发态,可通过外层电子跃迁发射X射线标识谱或发射俄歇电子而退激。

最初以为β-衰变仅放出电子,实际测量发现,放出的电子能量从零到Qβ-连续分布,曾困惑物理学家多年。1930年W.E.泡利提出β-衰变放出e-的同时还放出一个静质量为零、自旋为1/2的中性粒子,衰变能为电子和该粒子分享,该粒子后来被称为中微子,1952年以后被实验确凿证实。

科学研究表明,稳定性核素对核子总数有一定限度(一般为A≤209),而且中子数和质子数应保持一定的比例(一般为N/Z=1~1.5,也有个别例外)。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素,都是不稳定的。A≥209的核素,即元素周期表中钋(Po)之后的所有元素的核素都具有放射性(钋之前的元素,有的核素也具有放射性),它们或是自发地放射出α射线(即He核),而转变成A较小的新核;或是因核素的N/Z不适当,其核内的中子与质子会自发地相互转变,从而改变N/Z的值,并同时放出一个β-(或β+)粒子。核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态,这样的核或是自发地放射出γ光子而转变到基态或较低能态,或是继续进行α衰变(或β衰变),直到变成一个稳定的核素为止。

放射性核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种,分别放出α射线、β射线和γ射线。

还应明确,不论是发生了上述的哪一种核衰变,其衰变过程都遵从电荷数守恒、质量数守恒和能量守恒。

可对放射性核衰变的常见类型归纳如下:

折叠 核衰变α衰变

放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核电荷数比母核减少2,质量数比母核减少4。α粒子的特点是电离能力强,射程短,穿透能力较弱。

折叠 核衰变β衰变

β衰变又分β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。

(1) β-衰变

放射出β-粒子(高速电子)的衰变。一般地,中子相对丰富的放射性核素常发生β-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。

(2) β+衰变

放射出β+粒子(正电子)的衰变。一般地,中子相对缺乏的放射性核素常发生β+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。

(3) 轨道电子俘获

原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1,质量数不变的另一种原子核。由于K层最靠近核,所以K俘获最易发生。在K俘获发生时,必有外层电子去填补内层上的空位,并放射出具有子体特征的标识X射线。这一能量也可能传递给更外层电子,使它成为自由电子发射出去,这个电子称作"俄歇电子"。

(1) γ衰变

处于激发态的核,通过放射出γ射线而跃迁到基态或较低能态的现象。γ射线的穿透力很强。γ射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。

(2) 内变换

有时处于激发态的核可以不辐射γ射线回到基态或较低能态,而是将能量直接传给一个核外电子(主要是K层电子),使该电子电离出去。这种现象称为内变换,所放出的电子称作内变换电子。

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