原子物理学(第十章)

1、原子物理学 原子核是原子的中心体，研究这个中心体的特性、原子核是原子的中心体，研究这个中心体的特性、结构和变化等问题的一门科学称为原子核物理学。结构和变化等问题的一门科学称为原子核物理学。 关于原子核的知识可以分为两个方面，关于原子核的知识可以分为两个方面，一方面是对一方面是对原子核的结构、核力、核反应等问题原子核的结构、核力、核反应等问题的研究，这些是涉的研究，这些是涉及物质结构的基本问题的。研究的目的是为了了解自然，及物质结构的基本问题的。研究的目的是为了了解自然，掌握自然规律，为更多地利用自然开辟道路的；掌握自然规律，为更多地利用自然开辟道路的；另一个另一个方面是原子能和放射性的应用方面

2、是原子能和放射性的应用。上述两方面的研究有密。上述两方面的研究有密切联系，是互相推动前进的。对原子核的研究在理论上切联系，是互相推动前进的。对原子核的研究在理论上和应用上都有重要性。和应用上都有重要性。第十章第十章 原子核原子核1原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质 本节讨论原子核作为一个整体所具有的性质，不涉本节讨论原子核作为一个整体所具有的性质，不涉及原子核内部结构和变化问题。这些基本性质对原子和及原子核内部结构和变化问题。这些基本性质对原子和组成的分子都有影响，可以从有关原子和分子的研究推组成的分子都有影响，可以从有关原子和分子的研究推断出来。对有些性质也需要直

3、接对原子核进行研究方能断出来。对有些性质也需要直接对原子核进行研究方能有准确的结论。有准确的结论。第十章第十章 原子核原子核2原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质1 1、原子核的电荷、原子核的电荷 原子核带正电，数值总是最小电量单位（库仑原子核带正电，数值总是最小电量单位（库仑) )的的整数倍。与元素周期表中的原子序数整数倍。与元素周期表中的原子序数Z Z是一致的。原子是一致的。原子序数序数Z Z可以从不同的实验测得。自然界中原子序数最高可以从不同的实验测得。自然界中原子序数最高的元素是铀，它在周期表中居第的元素是铀，它在周期表中居第9292位，它的原子核就带位，它的

4、原子核就带有有9292倍最小电量单位的正电荷。人工合成的元素的倍最小电量单位的正电荷。人工合成的元素的Z Z值值已超过已超过100100了。了。 第十章第十章 原子核原子核3原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质2 2、原子核的质量、原子核的质量 原子核有质量。对原子核的描述或进行某些计算时，原子核有质量。对原子核的描述或进行某些计算时，往往用整个中性原子的质量数值。原子的总质量等于原往往用整个中性原子的质量数值。原子的总质量等于原子核的质量加核外电子的质量，再减去相当于电子全部子核的质量加核外电子的质量，再减去相当于电子全部结合能的数值。所以由原子总质量可以算出原子核

5、的质结合能的数值。所以由原子总质量可以算出原子核的质量。以后谈到原子质量都指中性原子的总质量。量。以后谈到原子质量都指中性原子的总质量。 第十章第十章 原子核原子核4原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质2 2、原子核的质量、原子核的质量 原子质量可以用质谱仪测得，也可以由其他方法推原子质量可以用质谱仪测得，也可以由其他方法推算。原子质量的质量通常用原子质量单位算。原子质量的质量通常用原子质量单位u u来表示来表示（1u=1.660551u=1.6605510-2710-27）。表）。表10.110.1开列了几种核素的质开列了几种核素的质量。用质量单位表示的核素质量都很

6、接近一个整数的，量。用质量单位表示的核素质量都很接近一个整数的，这个整数称为各核素的质量数这个整数称为各核素的质量数A A。如表中第二列中数字。如表中第二列中数字。第十章第十章 原子核原子核5原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质2 2、原子核的质量、原子核的质量 第十章第十章 原子核原子核6原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质2 2、原子核的质量、原子核的质量 第十章第十章 原子核原子核7原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质3 3、原子核的成分、原子核的成分 原子核是由质子和中子两种粒子组成的。原子核是由质子和中子两

7、种粒子组成的。 的原子的原子核只是一个质子，所以质子就是带一个单位正电荷的最核只是一个质子，所以质子就是带一个单位正电荷的最轻的氢核。中子是质量等于轻的氢核。中子是质量等于1.00866541.0086654质量单位的中性质量单位的中性粒子。由于这两种粒子的质量数都是粒子。由于这两种粒子的质量数都是1 1，所以，所以原子核的原子核的质量数质量数A A也代表构成这个原子核的质子和中子的总数也代表构成这个原子核的质子和中子的总数。代表原子核电量的代表原子核电量的Z Z也代表核内的质子数。也代表核内的质子数。N=A-ZN=A-Z是核内是核内的中子数。的中子数。质子和中子统称核子质子和中子统称核子。

8、11H第十章第十章 原子核原子核8原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质4 4、原子核的大小、原子核的大小 第十章第十章 原子核原子核9原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质4 4、原子核的大小、原子核的大小 第十章第十章 原子核原子核10原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质5 5、原子核的角动量、原子核的角动量 原子核具有角动量，它的总角动量等于原子核具有角动量，它的总角动量等于 ，I I为整数或半整数，称为原子核的自旋量子数。原子核为整数或半整数，称为原子核的自旋量子数。原子核的总角动量往往按照习惯称为原子核的自旋。

9、同核外电的总角动量往往按照习惯称为原子核的自旋。同核外电子的情况相仿，原子核角动量在任一方向可以观察到的子的情况相仿，原子核角动量在任一方向可以观察到的最大分量是最大分量是 。 一个原子核的总角动量是构成这个原子核的质子和一个原子核的总角动量是构成这个原子核的质子和中子的轨道角动量和它们的自旋角动量的矢量和。当原中子的轨道角动量和它们的自旋角动量的矢量和。当原子核被激发，激发态的角动量不一定等于基态的角动量。子核被激发，激发态的角动量不一定等于基态的角动量。 ()1I I +hIh第十章第十章 原子核原子核11原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质5 5、原子核的角动量

10、、原子核的角动量原子核的角动量可以从原子原子核的角动量可以从原子光谱的超精细结构、或从分光谱的超精细结构、或从分子光谱测得。表子光谱测得。表10.210.2中开中开列了一些原子核的列了一些原子核的I I值。可值。可以看到，具有偶数质量数以看到，具有偶数质量数A A的原子核的的原子核的I I值都是整数，值都是整数，奇数质量数的原子核的奇数质量数的原子核的I I值值都是半整数。都是半整数。 第十章第十章 原子核原子核12原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质6 6、原子核的磁矩、原子核的磁矩 原子核中带电的质子的运动会产生磁场，所以原子原子核中带电的质子的运动会产生磁场，所

11、以原子核具有磁矩。以后会了解中子也对原子核的磁矩有贡献。核具有磁矩。以后会了解中子也对原子核的磁矩有贡献。原子核的总磁矩，如同核外电子的情况，可以表达为原子核的总磁矩，如同核外电子的情况，可以表达为 （10.1-310.1-3）式中式中M M是质子的质量，是质子的质量，称为核磁子。称为核磁子。M M比电子质量大比电子质量大18361836倍，所以核磁子比玻尔磁子小倍，所以核磁子比玻尔磁子小18361836倍。因此原子核倍。因此原子核磁矩比原子磁矩要小得多。磁矩比原子磁矩要小得多。 ()()1122IIeegPgI IgI IMMmb=+=+h第十章第十章 原子核原子核13原子物理学10.1 1

12、0.1 原子核的基本性质原子核的基本性质6 6、原子核的磁矩、原子核的磁矩 原子核的原子核的g g因子的数值不能通过公式计算，只能由因子的数值不能通过公式计算，只能由实验测得，其数值有正有负。实验测得，其数值有正有负。 原子核磁矩可以用核磁共振等方法测得。表原子核磁矩可以用核磁共振等方法测得。表10.210.2中中的是核磁矩最大可能分量的数值，以核磁子为单位，因的是核磁矩最大可能分量的数值，以核磁子为单位，因此表中的数值就是此表中的数值就是IgIg。 第十章第十章 原子核原子核14原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩 由实验可

13、知原子核的电荷分布不一定是球形对称的。由实验可知原子核的电荷分布不一定是球形对称的。 当带电体的电荷分布是球形对称时，在体外离球心当带电体的电荷分布是球形对称时，在体外离球心R R处的电势是处的电势是q q是带电体的总电荷。是带电体的总电荷。 04qRfpe=第十章第十章 原子核原子核15原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩 非球形对称分布的电荷所产生的电势一般可表达为非球形对称分布的电荷所产生的电势一般可表达为 （10.1-410.1-4）式中第一项是单电荷的电势，第二项是偶极子的电势，式中第一项是单电荷的电势，第二项是偶极

14、子的电势，第三项是四极子的电势。第三项是四极子的电势。 123123a Ra Ra Rf-=+ L第十章第十章 原子核原子核16原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩例如高有点电荷的分布如图例如高有点电荷的分布如图10.1(a)10.1(a)所示，在箭头方向所示，在箭头方向上的电势可以证明是上的电势可以证明是 （10.1-510.1-5）图图10.1(b)10.1(b)的电荷分布同图的电荷分布同图10.1(a)10.1(a)是等效的。可知上式是等效的。可知上式是一个单电荷是一个单电荷2e2e和一个四极子联合的电势。和一个四极子联

15、合的电势。 第十章第十章 原子核原子核172201224eeaRRfpe轾犏=+犏臌原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩第十章第十章 原子核原子核18原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩如果电荷作旋转椭球式的分布，在对称轴上的电势可以如果电荷作旋转椭球式的分布，在对称轴上的电势可以表达为表达为所以旋转椭球式的电荷分布等效于一个单电荷和一个四所以旋转椭球式的电荷分布等效于一个单电荷和一个四极子的迭合。令极子的迭合。令 ，称为电四极矩。，称为电四极矩。 313aa

16、RRf=+32Qae=第十章第十章 原子核原子核19原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩可以证明原子核的电四极矩可以用下式表示：可以证明原子核的电四极矩可以用下式表示：式中式中a a为旋转椭球中沿对称轴的半径，为旋转椭球中沿对称轴的半径，b b为垂直于对称轴为垂直于对称轴最大圆截面的半径，如图最大圆截面的半径，如图10.210.2所示。所示。 ()2225QZ ab=-第十章第十章 原子核原子核20原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩 实验证明原子核有电四极矩

17、存在，很多原子核的电实验证明原子核有电四极矩存在，很多原子核的电荷分布是椭球式的。荷分布是椭球式的。 原子核的电荷分布对核外电子有影响，因此在原子原子核的电荷分布对核外电子有影响，因此在原子和分子光谱中和核磁共振中会显示出来。通过这些现象和分子光谱中和核磁共振中会显示出来。通过这些现象的观测可以测定原子核的电四极矩。的观测可以测定原子核的电四极矩。 第十章第十章 原子核原子核21原子物理学10.1 10.1 原子核的基本性质原子核的基本性质7 7、原子核的电四极矩、原子核的电四极矩表表10.310.3中开列了实验测定的中开列了实验测定的一些原子核的电四极矩。一些原子核的电四极矩。正号表示正号表

18、示 ，负号表示负号表示 。 ,0ab Q,0ab Q92Z92的人工放射物，衰变后连的人工放射物，衰变后连接在三个天然放射系上，图中没有画出。接在三个天然放射系上，图中没有画出。 第十章第十章 原子核原子核21082Pb20682PbUUI23892U23492U56原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变3 3、衰变衰变 原子核放射出来的原子核放射出来的粒子具有一定的速度，也就是说有粒子具有一定的速度，也就是说有一定的动能。经过物质能量逐渐损失，直到能量损失完毕，一定的动能。经过物质能量逐渐损失，直到能量损失完毕，它不再前进，就消失了。所以它不再前进，就消失了。所以粒子

19、按它的初速或初能量的粒子按它的初速或初能量的大小有一定的射程，通过对射程的测量可以测出大小有一定的射程，通过对射程的测量可以测出粒子的初粒子的初能量。能量。 粒子通过物质的实际距离与物质的密度有关。例如在粒子通过物质的实际距离与物质的密度有关。例如在减压的空气中射出的距离要比一个大气压的空气中远。减压的空气中射出的距离要比一个大气压的空气中远。 第十章第十章 原子核原子核57原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变3 3、衰变衰变 第十章第十章 原子核原子核58原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变3 3、衰变衰变 第十章第十章 原子核原子核59原

20、子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变3 3、衰变衰变（2 2）衰变能）衰变能第十章第十章 原子核原子核60原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变3 3、衰变衰变（2 2）衰变能）衰变能第十章第十章 原子核原子核61原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变3 3、衰变衰变（2 2）衰变能）衰变能第十章第十章 原子核原子核62原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变第十章第十章 原子核原子核63原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（1 1）衰变的三种情况衰变的三种情

21、况 原子核中不存在电子，原子核中不存在电子，衰变时发出的电子认为是临衰变时发出的电子认为是临时产生的。在放出负电子的情形，原子核中一个中子放出时产生的。在放出负电子的情形，原子核中一个中子放出一个负电子，变为一个质子；在放出正电子的情形，原子一个负电子，变为一个质子；在放出正电子的情形，原子核中一个质子放出一个正电子，变为中子；在核中一个质子放出一个正电子，变为中子；在K K俘获的情形，俘获的情形，原子核中一个质子吸收一个电子变为中子。原子核中一个质子吸收一个电子变为中子。第十章第十章 原子核原子核64原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（2 2）射线

22、的能量和能谱射线的能量和能谱能量的计算能量的计算 基本原理还是根据在磁场中带电粒子路径的弯曲。垂基本原理还是根据在磁场中带电粒子路径的弯曲。垂直于磁场运动的带电粒子的动量为直于磁场运动的带电粒子的动量为 (10.2-8)(10.2-8) 用相对论的能量公式可得其动能为用相对论的能量公式可得其动能为第十章第十章 原子核原子核pmvBer=()1 22222200Ec pm cm c轾=+-犏臌65原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（2 2）射线的能量和能谱射线的能量和能谱能量的计算能量的计算 第十章第十章 原子核原子核66原子物理学10.2 10.2

23、原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（2 2）射线的能量和能谱射线的能量和能谱能谱的特点能谱的特点 一是连续分布；一是连续分布； 二是存在最大值；二是存在最大值； 三是射线强度最高处的能量约等于最大能量值的三是射线强度最高处的能量约等于最大能量值的1/31/3。如图如图10.610.6所示。所示。第十章第十章 原子核原子核67原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（2 2）射线的能量和能谱射线的能量和能谱第十章第十章 原子核原子核68原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（2 2）射线的能量和能谱射线的

24、能量和能谱第十章第十章 原子核原子核69原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（3 3）中微子）中微子 最后设想原子核发射最后设想原子核发射电子时，同时发出一粒质量很小电子时，同时发出一粒质量很小或几乎是零的中性粒子，称为或几乎是零的中性粒子，称为中微子中微子。因为它是中性的，所。因为它是中性的，所以未能直接观察到。关于能量连续分布是这样的情况：以未能直接观察到。关于能量连续分布是这样的情况：衰衰变能是有一定数值，这能量被三个粒子（电子、中微子和剩变能是有一定数值，这能量被三个粒子（电子、中微子和剩下的原子核下的原子核) )分占，由于有各种不同的分配，电

25、子分得的能量分占，由于有各种不同的分配，电子分得的能量就可以从零连续变化到一个最大值。三个粒子的动量的矢量就可以从零连续变化到一个最大值。三个粒子的动量的矢量和应等于零，但是角度的关系可以有各种情况，因此动量的和应等于零，但是角度的关系可以有各种情况，因此动量的分配有各种情况，因而能量的分配也有各种情况。分配有各种情况，因而能量的分配也有各种情况。第十章第十章 原子核原子核70原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（3 3）中微子）中微子图图10.710.7显示几种情况。显示几种情况。 第十章第十章 原子核原子核71原子物理学10.2 10.2 原子核的

26、放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（3 3）中微子）中微子 （a)a)图表示电子（图表示电子（)和剩核（和剩核（A)A)在相反方向射出；中微在相反方向射出；中微子（子（）在垂直方向射出，分得的动量等于零，因而能量也）在垂直方向射出，分得的动量等于零，因而能量也等于零，衰变能被电子和剩核分占。电子的动量和剩核的动等于零，衰变能被电子和剩核分占。电子的动量和剩核的动量相等相反，但是电子的质量比剩核的质量小得多，电子分量相等相反，但是电子的质量比剩核的质量小得多，电子分得的能量要比剩核分得的大得多，差不多等于全部衰变能。得的能量要比剩核分得的大得多，差不多等于全部衰变能。这就是这就是能谱上的最

27、大能量值。能谱上的最大能量值。 第十章第十章 原子核原子核72原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（3 3）中微子）中微子 （b b）图表示中微子和剩核在相反方向射出；电子（）图表示中微子和剩核在相反方向射出；电子（）在垂直方向射出，因而动量等于零，能量也就等于零，这是在垂直方向射出，因而动量等于零，能量也就等于零，这是能谱中能量等于零的情况。能谱中能量等于零的情况。 （c c）图表示三个粒子的动量都不等于零，电子取得的能）图表示三个粒子的动量都不等于零，电子取得的能量决定于三个粒子的角度关系，电子的能量一定在（量决定于三个粒子的角度关系，电子的能量一

28、定在（a a）、）、（b b）两个极端情况之间，而且从统计考虑，取得中等数值的）两个极端情况之间，而且从统计考虑，取得中等数值的几率大，因而这样的电子数目多。这就充分说明了几率大，因而这样的电子数目多。这就充分说明了能谱的能谱的情况。情况。第十章第十章 原子核原子核73原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变（3 3）中微子）中微子 至于角动量问题，至于角动量问题，衰变时，原子核的质量数不变，那衰变时，原子核的质量数不变，那么在衰变前后么在衰变前后, , 原子核的角动量是的整数倍或半整数倍的性原子核的角动量是的整数倍或半整数倍的性质也不会变。而电子的自旋量

29、子数是质也不会变。而电子的自旋量子数是1/21/2，那么中微子的自旋，那么中微子的自旋量子数必须是半整数，把它定为量子数必须是半整数，把它定为1/2 1/2 是合理的。这样，角动是合理的。这样，角动量的问题解决了。量的问题解决了。 关于统计性问题，剩核的质量数不变，所以统计性不变，关于统计性问题，剩核的质量数不变，所以统计性不变，电子是费米子，要求中微子也是费米子，这样统计性问题也电子是费米子，要求中微子也是费米子，这样统计性问题也解决了。解决了。第十章第十章 原子核原子核74原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变第十章第十章 原子核原子核75原子物理学

30、10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变第十章第十章 原子核原子核76原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变4 4、衰变衰变第十章第十章 原子核原子核77原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（1 1）衰变方程）衰变方程 处于激发态的原子核可以通过发射处于激发态的原子核可以通过发射射线跃迁到基态，射线跃迁到基态，射线是光子。其衰变方程为：射线是光子。其衰变方程为： 第十章第十章 原子核原子核()AAZZXXg+光子78原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（1 1

31、）衰变方程）衰变方程 射线的能量可以用不同方法测量，能量较低的可以用射线的能量可以用不同方法测量，能量较低的可以用晶体中衍射的方法，如同测量晶体中衍射的方法，如同测量X X 射线的能量那样。原子核能射线的能量那样。原子核能级的跃迁实质上是它里边电荷分布的变动或电流的变动。电级的跃迁实质上是它里边电荷分布的变动或电流的变动。电荷的分布可以用电偶极子、四极子等来描述。所以荷的分布可以用电偶极子、四极子等来描述。所以射线可射线可以用原子核的电和磁的多极子辐射来描述。以用原子核的电和磁的多极子辐射来描述。第十章第十章 原子核原子核79原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5

32、、衰变衰变（2 2）原子核的）原子核的辐射跃迁遵循的三个守恒定律辐射跃迁遵循的三个守恒定律第十章第十章 原子核原子核80原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（2 2）原子核的）原子核的辐射跃迁遵循的三个守恒定律辐射跃迁遵循的三个守恒定律第十章第十章 原子核原子核81原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（2 2）原子核的）原子核的辐射跃迁遵循的三个守恒定律辐射跃迁遵循的三个守恒定律第十章第十章 原子核原子核82原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（2 2）原子核的）原子核

33、的辐射跃迁遵循的三个守恒定律辐射跃迁遵循的三个守恒定律宇称守恒宇称守恒 原子核的宇称在发射原子核的宇称在发射射线时其奇偶性要变还是不变，这可射线时其奇偶性要变还是不变，这可归纳如下表。归纳如下表。第十章第十章 原子核原子核83原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（3 3）内变换）内变换 原子核中还是有非辐射跃迁的，其中之一就是内变换。原子核中还是有非辐射跃迁的，其中之一就是内变换。射线谱中，有时除经常的连续射线谱中，有时除经常的连续谱外，还观察到一些尖锐谱外，还观察到一些尖锐的谱线，这些是具有单值能量的电子。经研究，知道这些电的谱线，这些是具有单值能量

34、的电子。经研究，知道这些电子来源于核外电子层。内变换过程中，核外电子是直接从原子来源于核外电子层。内变换过程中，核外电子是直接从原子核取得能量的。子核取得能量的。第十章第十章 原子核原子核84原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变第十章第十章 原子核原子核85原子物理学10.2 10.2 原子核的放射衰变原子核的放射衰变5 5、衰变衰变（5 5）同质异能素）同质异能素 有些具有相同质量数有些具有相同质量数A A和电荷数和电荷数Z Z的原子核有明显不同的的原子核有明显不同的放射半衰期，这些称为同质异能素。其实这是处于不同激发放射半衰期，这些称为同质异能素。

35、其实这是处于不同激发态的同一种原子核。习惯上把那些半衰期足够长因而测得出态的同一种原子核。习惯上把那些半衰期足够长因而测得出的激发态称作同质异能态。的激发态称作同质异能态。 作业：作业：P369 3P369 3。第十章第十章 原子核原子核86原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用 带电快速粒子和光子同实物能发生相互作用，从而可带电快速粒子和光子同实物能发生相互作用，从而可以研究射线的性质和其发射过程。这些作用也是观察射线以研究射线的性质和其发射过程。这些作用也是观察射线方法的基础。正因射线同实物的相互作用，各种射线及其方法的基础。正因

36、射线同实物的相互作用，各种射线及其发射物在生产上和科学研究工作中有广泛的应用。发射物在生产上和科学研究工作中有广泛的应用。第十章第十章 原子核原子核87原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用 本段讨论质子、氘核、本段讨论质子、氘核、粒子和类似的带电粒子被吸粒子和类似的带电粒子被吸收的情况。收的情况。 具有一定能量的重粒子，具有一定能量的重粒子，例如例如粒子，在实物中有一粒子，在实物中有一定的射程。图定的射程。图10.810.8是是RaCRaC的的射线在云室中的径迹。射线在云

37、室中的径迹。 第十章第十章 原子核原子核88原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用 用计数器也可以计取用计数器也可以计取粒子的数目。这类观测方法都粒子的数目。这类观测方法都是利用是利用粒子在它的路径中对物质的原子、分子发生碰撞粒子在它的路径中对物质的原子、分子发生碰撞而产生激发和电离作用，由此产生的离子在直接观察的仪而产生激发和电离作用，由此产生的离子在直接观察的仪器中能显示出粒子的径迹，在计数器中发生计数作用。器中能显示出粒子的径迹，在计数器中发生计数作用。粒粒子有一定的

38、射程说明在路径中粒子逐渐失去能量，最后能子有一定的射程说明在路径中粒子逐渐失去能量，最后能量损失完，速度减到零，就不再前进，达到了射程的末端量损失完，速度减到零，就不再前进，达到了射程的末端。所以所以对同一类粒子，能量大的射程长对同一类粒子，能量大的射程长。 第十章第十章 原子核原子核89原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用 粒子在空气中时，其路径粒子在空气中时，其路径各点的速度和单位长度中产生的各点的速度和单位长度中产生的离子对数均可以用实验方法测出。离子对数均可以用实

39、验方法测出。图图10.910.9是是粒子在粒子在1515和和1 1大气大气压的空气中的速度和电离量的变压的空气中的速度和电离量的变化。化。 第十章第十章 原子核原子核90原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用 图中横坐标标出图中横坐标标出剩余射程剩余射程，这是指，这是指在路径中从测得上在路径中从测得上述两种量的某一点起还能前进的距离述两种量的某一点起还能前进的距离。粒子的射程粒子的射程R R同速同速度度v v和能量和能量E E有下列近似关系：有下列近似关系： 各种粒子的射程

40、和能量的关系可以由实验测定，并用曲线各种粒子的射程和能量的关系可以由实验测定，并用曲线表示出来。以后通过测定射程就可以知道能量。表示出来。以后通过测定射程就可以知道能量。第十章第十章 原子核原子核33 2RvE档91原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用 重粒子在单位长度的径迹中的能量损失重粒子在单位长度的径迹中的能量损失-dE/dx-dE/dx可以从可以从测出单位长度上的离子对数测出单位长度上的离子对数n n算得，即算得，即 这里这里是产生一对离子所需的平均能量。是产生一

41、对离子所需的平均能量。 第十章第十章 原子核原子核dEndxe-=92原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用在标准大气压中，在标准大气压中，=32.5eV/离子对。离子对。-dE/dx从理论可推得从理论可推得式中式中Z是重粒子的电量数，是重粒子的电量数，v是它的速度，是它的速度，f（v）在理论中）在理论中可以明确写出。所以如果知道重粒子的电量，那么测出能可以明确写出。所以如果知道重粒子的电量，那么测出能量损失量损失-dE/dx就可以得出重粒子的速度。知道能量和速度就可以得出

42、重粒子的速度。知道能量和速度后，也就可以知道粒子的质量。后，也就可以知道粒子的质量。 第十章第十章 原子核原子核( )2dEZ f vdx-=93原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用1 1、带电重粒子同实物的相互作用、带电重粒子同实物的相互作用 又可以证明，对两种重粒子，如果速度相同，则又可以证明，对两种重粒子，如果速度相同，则所以对重粒子以测得射程和单位长度径迹中能量的损失为所以对重粒子以测得射程和单位长度径迹中能量的损失为根据，可以研究粒子的能量、速度、质量、电量等性质。根据，可以研究粒子的能量、速度、质量、电量等性质。第十章第

43、十章 原子核原子核22212112RMZRM Z=94原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用 电子通过实物时，可以发生弹性散射、非弹性碰撞电子通过实物时，可以发生弹性散射、非弹性碰撞（非弹性散射）和轫致辐射。（非弹性散射）和轫致辐射。(1)(1)弹性散射弹性散射 电子射经实物时，受实物电荷的库仑场的作用，路径电子射经实物时，受实物电荷的库仑场的作用，路径偏离原方向。如果能量不变，这称为偏离原方向。如果能量不变，这称为弹性散射弹性散射。由于电子。由于电子的质量比较小，散射现象比较

44、显著。电子经过实物如空气、的质量比较小，散射现象比较显著。电子经过实物如空气、液体、金属薄膜等的情况不同，由于多次散射，累加起来液体、金属薄膜等的情况不同，由于多次散射，累加起来成为大角偏转，所以在原方向前进的电子数目逐渐减少。成为大角偏转，所以在原方向前进的电子数目逐渐减少。这与重粒子散射不同。这与重粒子散射不同。 第十章第十章 原子核原子核95原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用(1)(1)弹性散射弹性散射 图10.10显示粒子散射和电子散射的差别。 第十章第十章 原子核

45、原子核96原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用(2)(2)非弹性碰撞的能量损失非弹性碰撞的能量损失 电子通过实物时，使原子发生激发或电离，在这些过电子通过实物时，使原子发生激发或电离，在这些过程中电子失去能量，这称为程中电子失去能量，这称为非弹性碰撞非弹性碰撞（或（或非弹性散射非弹性散射）。）。这种能量损失与电子所具有的这种能量损失与电子所具有的能量大小有关。如图能量大小有关。如图10.1110.11中曲中曲线线(1)(1)所示。所示。 第十章第十章 原子核原子核97原子物理

46、学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用(2)(2)非弹性碰撞的能量损失非弹性碰撞的能量损失 能量较小时（大约在能量较小时（大约在2MeV2MeV以下以下) )，单位距离中能量的损，单位距离中能量的损失与速度的平方成反比。随电子能量的增加，损失减到最失与速度的平方成反比。随电子能量的增加，损失减到最低值。到了相对论性能量值，损失又略上升。低值。到了相对论性能量值，损失又略上升。 重粒子的碰撞损失与电子的相仿，有相似形状的曲线。重粒子的碰撞损失与电子的相仿，有相似形状的曲线。第十章第十章

47、原子核原子核98原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用(2)(2)非弹性碰撞的能量损失非弹性碰撞的能量损失 曲线表示的最低损失与粒子的质量无关，只与电荷有曲线表示的最低损失与粒子的质量无关，只与电荷有关关。因此如果电荷相同，不同质量的粒子的最低能量损失。因此如果电荷相同，不同质量的粒子的最低能量损失值是相同的，所以在云室、气泡室、乳胶中，具有相对论值是相同的，所以在云室、气泡室、乳胶中，具有相对论性能量的质子和电子的径迹是难以分辨的。性能量的质子和电子的径迹是难以分辨的。 第十

48、章第十章 原子核原子核99原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用(3)(3)由于轫致辐射的能量损失由于轫致辐射的能量损失 电子经过原子核附近，由于受库仑场的作用而产生加电子经过原子核附近，由于受库仑场的作用而产生加速度，这样，电子就有电磁辐射。这样的辐射损失只有电速度，这样，电子就有电磁辐射。这样的辐射损失只有电子能量较高时才显出来。如图子能量较高时才显出来。如图10.1110.11曲线曲线(2)(2)所示。所示。 实验和理论表明，实验和理论表明，辐射损失随吸收物的原子序数辐射

49、损失随吸收物的原子序数Z Z的增的增加而增加，随电子的能量的增加而增加加而增加，随电子的能量的增加而增加。对重粒子有相仿。对重粒子有相仿的规律。但这样的能量损失是随粒子质量的增加而减低的，的规律。但这样的能量损失是随粒子质量的增加而减低的，所以所以对重粒子这损失是相当微小对重粒子这损失是相当微小的。的。 第十章第十章 原子核原子核100原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用（4 4）电子的能量和射程）电子的能量和射程 由于多次散射，具有同一能量的电子通过吸收物时也由于多次散射，

50、具有同一能量的电子通过吸收物时也要逐渐减少。减少的情况可以近似地表达如下：要逐渐减少。减少的情况可以近似地表达如下：式中式中 为初进吸收物的电子数目，为初进吸收物的电子数目，N N为通过厚度为为通过厚度为d d的电子的电子数目。这些电子数目可以用计数器测出。数目。这些电子数目可以用计数器测出。 第十章第十章 原子核原子核0dNN em-=0N101原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用（4 4）电子的能量和射程）电子的能量和射程具有相同能量的电子虽不象重粒子有相同的射程，但它的

51、具有相同能量的电子虽不象重粒子有相同的射程，但它的最大射程是有一确定值的。取上式对数，即有最大射程是有一确定值的。取上式对数，即有 把把 对对d d作图，应得一直线。根作图，应得一直线。根据实验数据作图，有一段是直线，据实验数据作图，有一段是直线，把这直线延长截本底上一点，就是把这直线延长截本底上一点，就是最大射程最大射程R R（见图（见图10.12)10.12)。 第十章第十章 原子核原子核0lnlnNNdm=-ln N102原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用2 2、快速电子对实物的相互作用、快速电子对实物的相互作用（4 4）电

52、子的能量和射程）电子的能量和射程 对不同能量的射线，用这方法求得相应的射程，就可作出能量与射程关系的曲线图（如图10.13)，以后可以用此图由射程求电子能量。 第十章第十章 原子核原子核103原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用第十章第十章 原子核原子核104原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用 射线在实物中的衰减的原因有两种：一种是真的吸射线在实物中的衰减的原因有两种：一种是真的吸收

53、，另一种是散射。因此收，另一种是散射。因此 (10.3-2)(10.3-2)是吸收系数，是吸收系数，是散射系数。是散射系数。第十章第十章 原子核原子核mtt=+105原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用（1）截面的概念）截面的概念 设有一束设有一束射线垂直射在一片吸收物的面上，如图射线垂直射在一片吸收物的面上，如图10.14所示。吸收物的厚度为所示。吸收物的厚度为x，设吸收物的单位体积中有，设吸收物的单位体积中有N粒原粒原子。如果子。如果射线束的横截面为射线束的横截面为A，那么，那么它经过

54、那片吸收物会遇到粒原子。设每它经过那片吸收物会遇到粒原子。设每一原子挡住一原子挡住射线的面积为射线的面积为，称为原，称为原子截面。那么遮挡这束子截面。那么遮挡这束射线的总面积射线的总面积是是 。 第十章第十章 原子核原子核NNA xssD=D106原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用 第十章第十章 原子核原子核107原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用 第十章第十章 原子核原子核108

55、原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用（2 2）吸收物对光子的吸收）吸收物对光子的吸收 第十章第十章 原子核原子核109原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用 光子能量超过光子能量超过1.02MeV时，在原子核的库仑场中有可时，在原子核的库仑场中有可能被吸收而产生一对电子，正负各一。同一粒电子的质量能被吸收而产生一对电子，正负各一。同一粒电子的质量相联系的能量是相联系的能量是0.51MeV

56、，所以产生一对电子至少需要，所以产生一对电子至少需要1.02MeV的能量。如果要观察到这个现象，电子还需要具的能量。如果要观察到这个现象，电子还需要具有动能才能飞出，所以需要光子的能量比有动能才能飞出，所以需要光子的能量比1.02MeV要大。要大。产生的几率是随光子能量增加的。产生的几率是随光子能量增加的。 第十章第十章 原子核原子核110原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用 光子转变为电子偶需要能量和动量同时守恒。孤立的光子光子转变为电子偶需要能量和动量同时守恒。孤立的光子不能转变为一对

57、电子，因为能量和动量不能同时守恒。所以产不能转变为一对电子，因为能量和动量不能同时守恒。所以产生电子偶必须在另一个粒子附近，例如原子核。生电子偶必须在另一个粒子附近，例如原子核。 对光子转变为一对正负电子，或相反的过程，有人说成是对光子转变为一对正负电子，或相反的过程，有人说成是质量和能量相互转变，或甚至说是物质和能量的相互转变质量和能量相互转变，或甚至说是物质和能量的相互转变, ,这这是不正确的。光子和电子都是物质，它们的相互转变只是物质是不正确的。光子和电子都是物质，它们的相互转变只是物质形式的转变，是场和实物的转变，而场和实物都是物质。至于形式的转变，是场和实物的转变，而场和实物都是物质

58、。至于质量和能量，在光子和电子转变前后是相等的，质量和相联系质量和能量，在光子和电子转变前后是相等的，质量和相联系的能量都是守恒的。的能量都是守恒的。第十章第十章 原子核原子核111原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3 3、射线同实物的相互作用射线同实物的相互作用 相反的过程也曾观察到，就是一对正负电子相遇，可以湮相反的过程也曾观察到，就是一对正负电子相遇，可以湮没而成为光子。在湮没前，一对正负电子先构成一个如同氢原没而成为光子。在湮没前，一对正负电子先构成一个如同氢原子那样的体系，称为子那样的体系，称为电子偶素电子偶素。在电子偶

59、素中，二电子的自旋。在电子偶素中，二电子的自旋可能同向或反向，电子自旋同向的情形称可能同向或反向，电子自旋同向的情形称正电子偶素正电子偶素，平均寿，平均寿命是命是 秒，电子湮没时放出三个光子。自旋反向的情形称秒，电子湮没时放出三个光子。自旋反向的情形称仲仲电子偶素电子偶素，平均寿命是，平均寿命是 秒，电子湮没时放出两个光子。三秒，电子湮没时放出两个光子。三个和两个光子的不同是由于角动量守恒的要求。个和两个光子的不同是由于角动量守恒的要求。第十章第十章 原子核原子核710-1010-112原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实物的相互作用和放射性的应用3、射线同

60、实物的相互作用射线同实物的相互作用 射线在实物中三种吸收过程随射线能量的变化如图射线在实物中三种吸收过程随射线能量的变化如图10.1510.15所示。我们可以看到光电效应和康普顿效应这两种方式所示。我们可以看到光电效应和康普顿效应这两种方式的光子能量的被吸收随射线能量的光子能量的被吸收随射线能量的增加而减弱。电子偶的出现在的增加而减弱。电子偶的出现在光子能量高出光子能量高出1.02MeV1.02MeV以后，而以后，而且这个方式的吸收随射线能量增且这个方式的吸收随射线能量增加而增加。加而增加。第十章第十章 原子核原子核113原子物理学10.3 10.3 射线同实物的相互作用和放射性的应用射线同实