原子核物理衰变.pdf

2015 9 6 1 2 放射性衰变放射性衰变 decay 1895 X 射线 伦琴 射线 伦琴 1900年第一个年第一个Nobel 1896 铀的衰变现象 贝克勒尔 铀的衰变现象 贝克勒尔 1903 Nobel 1898 99 分离出分离出 Po 和和 Ra 放射性元素 放射性元素 居里夫妇 居里夫妇 1903 Nobel 物理物理 居里夫人居里夫人1911年第二次获年第二次获Nobel化学奖化学奖 2 1 放射性的发现放射性的发现 1897 发现发现 a b 射线 卢瑟福 射线 卢瑟福 1908 1908 Nobel 1900 发现发现 g 射线射线 1909 断定断定 a a 射线是射线是 4He 核流核流 卢瑟福 卢瑟福 b 射线 高速电子流 射线 高速电子流 g 射线 射线 高能光子流 高能光子流 2 伦琴夫人的手指伦琴夫人的手指 b b稳定线 稳定线 稳定核的稳定核的 N 比比 Z 大一些大一些 稳定核素 稳定核素 280多种 多种 天然放射性核素 天然放射性核素 60多种 多种 人工放射性核素 人工放射性核素 2000多种 多种 2 2 衰变规律衰变规律 衰变衰变 decay 不稳定的原子核 不稳定的原子核自发地自发地转变为转变为 其他原子核 其他原子核 220216 8684 RnPoa 统计性统计性 每个原子核衰变的概率是均等的 每个原子核衰变的概率是均等的 概率 原子核在单位时间内衰变的百分比 概率 原子核在单位时间内衰变的百分比 公式公式 0 1 t dNdN dt N dtN NN e 衰变常数 是每个核在单位时间内衰变的概率 衰变常数 是每个核在单位时间内衰变的概率 半衰期半衰期 half life N N0 e t t ln2 T1 2 平均寿命平均寿命 mean lifetime 0 0 0 00 0 1 1 t N tdNtN dt Ntedt N N0 N0 2 t T1 2 N0 e T1 2 ln2 0 693 1 2015 9 6 2 放射性活度放射性活度 Radio Activity 单位时间衰变的原子核数单位时间衰变的原子核数 dN AN dt 1 Bq 1次衰变次衰变 s 1 Ci 3 7 1010 Bq mCi m mCi 测量放射性活度测量放射性活度A 可以得到半衰期可以得到半衰期 如测如测 得得1mg 的的238U A 740 次次 分钟分钟 半衰期半衰期 8 放射性的一个重大应用 考古断代放射性的一个重大应用 考古断代 植物通过光合作用吸收 CO2 和氧气合成有机物 一些动物以植物为食物 另一些动物又以食草动物 为食物 动物还要不断呼吸 因而整个生物链和自 然界的14C 含量达到平衡 但死亡的生物体不和自 然界交换物质 而 14C 却不断衰变 因而 死亡的 生物体内的 14C 的含量低于自然界里的含量 测量 古代生物遗骸内 14C 的含量就可以确定遗骸的年代 范围 100 3000年 1960 Nobel 奖奖 9 10 14C断代法 断代法 实验表明 实验表明 大气中 大气中 14C与与12C原子数原子数 目之比目之比 1 3 10 12 活的生物体由于吸收大气中的 活的生物体由于吸收大气中的CO2 也具有上述比例 但是 当生物体也具有上述比例 但是 当生物体死亡死亡之后 随着之后 随着 14C的衰变 上述比例随着时间减少 测出出土的生物 的衰变 上述比例随着时间减少 测出出土的生物 体中体中14C与与12C数目之比即可推出该生物体所经历的时数目之比即可推出该生物体所经历的时 间 间 练习练习 100g 碳碳 探头直径探头直径10cm 距离 距离 0 4cm 探测效率 探测效率45 测量到放射性测量到放射性 3 375次次 s 11 例题例题 古墓遗骸 古墓遗骸 100g 碳的碳的 b b 放射性强度为放射性强度为 900 900 m 碳碳14半衰期为半衰期为5730年 求此古墓年代 年 求此古墓年代 0 141212 1 2 231212 0 12 1 2 01 20 900 min measured 5730 given 1 3 10 given 100 12 6 023 10 1 3 106 52 10 ln23 91 10 ln ln2 ln 422 t NN eAdN dtN TyCC Ngg NAA T tN NTNN 7years 辐射剂量辐射剂量 radiation dose D 1 Gr R 吸收 1 J 辐射能量 1kg 物质 剂量当量剂量当量 Equivalent dose H Q W D Sv W为权重因子为权重因子 Q 品质因子 品质因子 x g b g b 射线射线 Q 1 质子 单电荷离子质子 单电荷离子 Q 10 中子 中子 a a 射线射线 Q 20 辐射防护知识辐射防护知识 2015 9 6 3 组织名称 T 权重因子 WT 性腺 0 25 乳腺 0 15 红骨髓 0 12 肺 0 12 甲状腺 0 03 骨表面 0 03 其余组织 每一个 0 06 标准标准 放射性场所 工作人员的年有效剂量当量放射性场所 工作人员的年有效剂量当量 限值为限值为50 mSv 孕妇 儿童孕妇 儿童 15 mSv 公众成员公众成员 1 mSv W 权重因子权重因子 防护 防护 a 射线 质量大 带电 很容易被物质吸射线 质量大 带电 很容易被物质吸 收 空气中射程几厘米 一张纸 一层衣收 空气中射程几厘米 一张纸 一层衣 服可以挡住 服可以挡住 b 射线 高速 穿透能力中等 几毫米到几射线 高速 穿透能力中等 几毫米到几 厘米厚的金属片可以挡住 厘米厚的金属片可以挡住 g g 射线 高能光子 穿透性极强 几厘米厚射线 高能光子 穿透性极强 几厘米厚 的铅砖 到几米厚的混凝土墙阻挡 的铅砖 到几米厚的混凝土墙阻挡 a a射线射线 b b射线射线 g g射线射线 吸入的危害极大 吸入的危害极大 2 3 a a 衰变衰变 decay 4 2 4 2 HeYX A z A z a Y a a级联级联衰变 递次衰变 衰变 递次衰变 钍系 钍系 铀系 铀系 锕系 锕系 镎系 镎系 232228228 224220216208 ThRaTh RaRnPoPb abb aaa 238234234 230226222206 UThU ThRaRnPb abb aaa 235231231207 UThPaPb aba 237233233229 225225209 NpPaUTh RaAcBi aba ab 能量如何变化 能量如何变化 衰变能衰变能 Ed 衰变过程释放的能量 Y a X 4 2 4 2 HeYX A z A z a 衰变能的来源 衰变能的来源 Ed EY Ea EY Ea 比较 一颗炸弹的能量来源比较 一颗炸弹的能量来源 17 Ed Dmc2 mX mY ma c2 MX z me MY z 2 me MHe 2 me c2 MX MY MHe c2 原子质量原子质量 根据质量亏损 根据质量亏损 Y a X 原子核质量原子核质量 4 2 4 2 HeYX A z A z a 18 衰变能等于衰变能等于结合能的增加 结合能的增加 Ed BY BHe BX 衰变后原子核内部核子之间结合得衰变后原子核内部核子之间结合得更紧密 更紧密 可以证明 可以证明 Ed Dmc2 mX mY ma c2 Y a X 2015 9 6 4 Ea Ed 1 Ma MY Ed 1 4 AY 98 Y a Ea 22 1 1 1 YY YY YY dYY dY dY M VM V M VM V M EM E EEEMME EEMM EMM aa aa aa aaa aa a Ea Ed EY Ea 20 计数 Ed a a射线能谱 射线能谱 spectrum a a射线能量射线能量 Ea MeV 怎么来的 怎么来的 噪声噪声 Ea Ea Ed 1 Ma MY 235231231207 UThPaPb aba 1 2 21 分支比分支比 衰变纲图衰变纲图 decay scheme 衰变能衰变能 原子序数原子序数Z 半衰期半衰期 能级能量能级能量 a a 衰变量子理论衰变量子理论 a a 衰变释放能量 为什么同样的原子衰变释放能量 为什么同样的原子 核不会核不会即刻全部即刻全部发生发生a a 衰变 而有一定的衰变寿命 衰变 而有一定的衰变寿命 核力区核力区 隧穿效应隧穿效应 a a 解解Schrodinger 方程方程 计算透射系数可得衰计算透射系数可得衰 变常数 变常数 a a R 2 fm 库仑势库仑势1 r V r r Ed 2 4 b b 衰变 衰变 b b 射线是电子流 于是 人们设想 射线是电子流 于是 人们设想 1 AA zz XYe Y e 可是 人们在此遇到了可是 人们在此遇到了致命的致命的困难 困难 Ed Dmc2 mX mY me c2 Eb Ed 1 me MY Ed 应该是个常数 X Ed 电子计数 E Eb b Ed b b 能谱是连续谱 能谱是连续谱 不可理解不可理解 能量不守恒 能量不守恒 Y e Pauli 1930 Eb Ed b射线的能量是个常数吗 Eb E Ed 是个常数 v Anti neutrino 2015 9 6 5 25 邢志忠博客回顾了波尔泡利之争的这段历史 邢志忠博客回顾了波尔泡利之争的这段历史 uid 3779 do blog id 661283 1930 泡利 泡利 提出提出中微子中微子假说 假说 一种质量为零的电中性粒子一种质量为零的电中性粒子 自旋自旋 为为1 2 1956年 中微子才被实验证实 年 中微子才被实验证实 Y e 113114 2 3 5 e pne ee nCdCd g g 5m ms CdCl2 水溶液水溶液 闪烁体闪烁体 闪烁体闪烁体 e v n 0 511MeV 0 511MeV 9 1MeV Cd p 2011年的中微子超光速乌龙事件年的中微子超光速乌龙事件 1945年 年 诺贝尔物理学奖授予泡利 诺贝尔物理学奖授予泡利 以表彰他发现以表彰他发现泡利不相容原理泡利不相容原理 27 Ed Dm c2 exercise 1 AA zze XYev b b 衰变 衰变 13N 22Na v v 中微子自旋中微子自旋1 2 b b 衰变 衰变 n 3H 1 AA zze XYev 轨道电子俘轨道电子俘 获获 Electron Capture 7Be 1 AA zze XeYv 静止质量静止质量 0 轨道电子俘获轨道电子俘获 EC K 俘获 俘获 L 俘获 俘获 EC X ray 1 Emit X rays 轨道电子俘获时 轨道电子俘获时 EC 2 Emit Auger electrons 俄歇电子俄歇电子 Intensity b b energy Ed 轨道电子俘获时的轨道电子俘获时的 b b 能谱 能谱 Auger 2015 9 6 6 衰变能衰变能 Ed Dmc2 mX mY me c2 Mx My c2 1 AA zze XYev b b 衰变 衰变 b b 衰变 衰变 1 AA zze XYev Ed Dmc2 mX mY me c2 Mx My 2 me c2 轨道电子俘轨道电子俘 获 获 EC 1 AA zze XeYv Ed Dmc2 Wi mX me mY c2 Wi Mx My c2 Wi EC 衰变图衰变图 decay scheme 3H T 12 33a b b 0 0186 MeV 100 3He 13N T 9 96 min 2 mec2 b b 1 19 MeV 100 13C Z Ed Mx My 2 me c2 34 35 选择定则选择定则 衰变前后角动量守恒 衰变前后角动量守恒 For s 0 for s 1 1 1 iff IIjIj jl jll l if IIj 电子和中微子自电子和中微子自 旋耦合 旋耦合 I Fermi 跃迁跃迁 Gamov Taler 跃迁跃迁 2 22 12 1 1 2 0 1 z sms ssm ssmmsm sss 1 s s s s 0 1 2 3 jlslsl jl s 自旋轨道耦合 自旋轨道耦合 ID 2015 9 6 7 0 0 1 1 0 1 2 2 1 2 3 3 2 3 4 lI lI lI lI D D D D D D D D 二级禁戒二级禁戒 一级禁戒一级禁戒 三级禁戒三级禁戒 容许跃迁 容许跃迁 l 0 1 2 3 对应的衰变几率越