42原子核的衰变

1、原子核原子核（nucleus）都是由质子和中子构成的，质子和中子叫重子，因为它们 比电子重了近两千倍，所以普通物质被简化地称为重子物质， 电子被无情地忽视 了。而质子和中子都是由两种夸克构成，这两种夸克有两个普通得不能再普通的 名字，上夸克和下夸克。原子核结构实验测到的原子核的质量都接近于氢原子核质量的整数倍。1919年，卢瑟福通过反应发现了一种粒子，它带一个单位正电荷的电量，其质量与氢原子核质量相等， 这种粒子被称为质子。同时，用快速a粒子轰击其他兀素的原子核时也能产生这 种粒子。这个发现说明了原子核内是包含质子的。 但是原子核一般不能只由质子 组成。就拿最简单的氘原子核来说它的电荷等于质子

2、电荷，但质量却为质子的 两倍。原子核中还应包含什么成分呢？人们根据放射线中有B射线（即电子流组成的射线），曾设想原子核是由质子 和电子构成的。但这不可能。人们可给出许多论证说明电子不可能存在于核内。 例如，由不确定关系 x ph（其中 x、 p分别为电子的位置和动量的不确定 性）。利用相对论公式E2=p2c2+me2c4可以估计核内存在的自由电子能量约为数 十MeV而B衰变中观测到的电子最大的能量不超过数MeV直到1932年查德威克（Chadwick）发现了中子。人们才搞清了核的基本组成。 原子核是由质子与中子组成的。1930年，玻特（W.Bothe）等人利用反应0（+JSc+,理即用a粒子轰

3、击锂、铍等轻元素时.发现一种贯穿力较强的辐射，它能穿过厚的铅板被计数管记录下来。同年，约里奥居里夫妇重复实验用钋a源照射铍靶，并用所放出的那种穿透性强的“射线”去轰击石蜡。遗憾的是，玻特和约 里奥居里夫妇都把这种辐射看成丫射线。实际上，根据康普顿散射计算得到的 丫射线能量与通过吸收法测得的此“射线”能量相矛盾。可以说，他们走到一个 重大发现的边缘，但没有想到“中子”的可能。查德威克在了解到约里奥居里夫妇的工作后，立即意识到他们观测到的不 是康普顿散射。重复做了上述实验并经过认证分析后，查德威克大胆预言这种未 知射线是一种新的粒子，它不带电，质量和质子相近，称为“中子”。卢瑟福的 预言终于得到了

4、证实。查德威克还利用 1H和14N的反冲实验对中子质量进行了 估计。在弹性碰撞下，考虑能量和动量守恒，可以很方便地得到下式：乙二叫+ 14Kv 叫+1其巾VH VN分别为反冲氢核和氮核的速度，mn为中子的质量。查德威克的 实验结果是 VH=3.3X 109cm/s，VN=4.7X 108cm/s，由上式可计算 mr。计算结果 表明中子质量比质子质量略大一些。 中子的发现是核物理发展史上一个重要的里程碑。 中子的发现不但说明原子 核由质子和中子组成， 更重要的是 . 人们找到了极好的轰击和分裂原子核的炮弹， 开始了一系列重要的核反应研究。大大推动了原子核物理的发展。不同的原子核所含有的质子和中子

5、数目不同。 中子和质子统称为核子， 它们 的质量差不多相等，但中子不带电，质子带正电.其电量为Ze。因此，电荷数为 Z的原子核含有Z个质子。原子核所含有的中子数用 N表示，则原子核的质量数 A=Z+N具有一定乙A的原子核称为核素。下面介绍一些术语： 同位素(Isotope) : Z同A不同的一些核素； 同中子异荷素(Isotone) : N同Z不同的一些核素； 同量异位素(Isobar) : A同Z不同的一些核素； 同质异能素 (Isomer) ： Z.N 相同，而能量状态不同的核素。表示为 AmX， 它表示这种核素的能量状态比较高。如 60CO有寿命为10.5min的激发态。该同 质异能素记

6、为60mCo为60Co的同质异能素。随着实验手段的发展， 更高性能的中高能重离子加速器、 高能加速器等的投 入使用。 人们发现核内成分除了质子、 中子外还存在非核子自由度。 这些非核子 自由度包括介子和夸克。原子核的大小原子核极小，它的直径在10-15m10-14m之间，体积只占原子体积的几千亿 分之一，在这极小的原子核里却集中了 99.96%以上原子的质量。原子核的密度 极大，核密度约为1017kg/m3,即1m3的体积如装满原子核，其质量将达到1014t， 即 1 百万亿吨。原子核是由质子和中子组成的。 不同核素的原子核可以用三个数来表征， 质 量数A，质子数乙和中子数N。质量数等于质子数

7、加中子数。原子核的大小可以通过阿尔法粒子散射， 高能质子散射， 电子， 中子散射等 实验测量。 散射实验表明原子核比原子的尺寸要小得多， 只有飞米 (fm) 量级。即 比原子的尺寸要小几万分之一。随着 A 的增大，原子核的半径将越来越大。对氢原子核来说，其直径为约1.75fm，对比较重的原子核，比如铀，则可达到 15fm。大小差了一个数量级。 原子核衰变原子核衰变也叫核衰变，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。原子核衰变的类型有a衰变、B衰变和丫衰变 三种，分别放出a射线、B射线和丫射线。1 、 a 衰变 放射性核素放射出 a 粒子后变成另一种核素。子核的电

8、荷数比母核减少 2， 质量数比母核减少4。a粒子的特点是电离能力强，射程短，穿透能力较弱。2、B衰变B衰变又分B -衰变、B +衰变和轨道电子俘获三种方式。 B -衰变放射出B -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B-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。 B +衰变放射出B +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B +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。 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

9、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”。3、丫衰变处于激发态的核，通过放射出丫射线而跃迁到基态或较低能态的现象。丫射 线的穿透力很强。丫射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。 原子核裂变原子核裂变也叫核裂变， 是指由重的原子核 （ 主要是指铀核或钚核 ）分裂成两 个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。铀-235 和铀-238 是两种主要的铀同位素，在自然界，主要以铀 -238 的形式 存在，大概占 99.3%，而铀 -235 只占 0.7%。尽管铀 -235 含量很低，

10、但却是主要 的核燃料。因此，我们在核电利用之前，需要经过浓缩过程，使氧化铀的含量处 于 3%6%最, 好处于 5%水平。进一步浓缩，就可用于制造原子弹。铀-235 在一个中子的轰击下产生铯 -137 和铷-96 两个碎片，也可能产生碘 -131 和钇-102，这个过程叫做“原子核裂变”，同时释放出能量。 1 千克的铀 -235完全裂变可释放4.1 X 1011焦耳的能量。除了铀-235，可用于大规模核能利用的核素还有钚 -239 和铀-233，不过， 这两种皆属于人造核素，产生于反应堆。铀 -238 在反应堆里面经过几次裂变， 会变成钚 -239。钚-239 可能存在两种用途：用作核燃料或作为原子弹基本材料。 令人格外担心