北航原子核物理课件6

第六章：衰变衰变是原子核自发地发射出 粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。ା，ି𝟐

s

到

𝟏𝟖

a三种：

ି，轨道电子俘获半衰期：能量最大为几个MeV。在全部周期表的范围内都存在放射性核素。内容§

6.1

能谱的特点§

6.2

中微子§

6.3

衰变的三种类型及其衰变能§

6.4

衰变纲图§

6.5

衰变的费米理论§

6.6

跃迁种类和选择定则§

6.7

库里厄图§

6.8

衰变常量和比较半衰期§

6.9轨道电子俘获§

6.10

宇称不守恒问题§

6.1能谱的特点1、 谱的连续性粒子的能谱是分立的，而 粒子的能谱是连续的测量 能谱的实验装置是 磁谱仪—必须考虑相对论效应粒子的动能粒子的动量–

所以e

e

eT

=

E

-

m

c2=

(c2

p2

+

m2c4

)1/

2

-

m

c2p

=

eBrT

=

(c2e2

(Br)2

+

m2c4

)1/

2

-

m

c2e

e如果

T

用

keV

作单位，

用 作单位T

=

511.00{[3441.8·102

(Br)2

+1]1/

2

-1}粒子的能量是连续的𝒎有一确定的最大能量曲线有一极大值2、 衰变与能量守恒定律的“矛盾”实验表明： 射线和 射线的能量是分立的而 能谱是连续分布的，且最大能量

𝒎

正好等于衰变能ThC

经过两个分支衰变到ThD两个分支能量相等11.2

MeV衰变中如何满足能量守恒定律1.

在 衰变中，母核首先通过放出 粒子跃迁到子核的很多不同能级上，然后通过释放 光子由激发能级跃迁到基态。如果子核的能级很多，就可得到连续的电子谱和 射线谱。谱是分立的。有些

衰变根本不发射

射线衰变中如何满足能量守恒定律粒子刚从核中射出时具有相同的能量

𝒎，但在行进的路程中与放射源本身和周围介质的轨道电子相互作用，把能量传递给了轨道电子量热试验测得的衰变能与

谱的平均能量相符合，而与最大值相差甚远3.

泡利（W.Pauli）1930至1933年间提出了衰变放出中微子的假说，成功解决了能量不守恒的矛盾§

6.2中微子1、中微子假说泡利的中微子假说：原子核在衰变过程中，不仅放出一个粒子，还放出一个质量几乎为零的不带电的中性粒子—中微子能量动量守恒牵涉到三个粒子–

角度可以出现各种情况pv

+

pR

+

pb

=

0粒子的能量可以从

𝒎

到

0

两种极端情况粒子和反冲核的动量大小相等但方向相反pb

=

-

pRpv

=

0

Rb

R

v

b

Ed

=

E

+

E

+

E

=

E

+

ERRRRp2p2E2m

2m2m

c2(E

+

2m

c2

)E=

R

=

b

=

b

e

b动能dRRREm2m

c22m

c2

mbbb(E

+

2m

c2

)EE

=

E+

b

e

b=

E

(1+

b

+

e

)

»

E两种极端情况2.

中微子和反冲核的动量大小相等，方向相反pv

=

-

pRpb

=

0

Eb

=

0

一般情况， 粒子的动能处于上述两种极端情况之间0

£

Eb£

Em中微子的性质1.

静止质量上限为

2

eV

（PDG2011），在 衰变理论中，可近似地看成为0：𝒗

𝒗2.

电荷为𝒗𝒗

𝟏𝟐自旋遵从费米统计磁矩(Dirac

neutrino)14O

fi自旋

014

N

*

+

b

+

+

v0

1/2

?中微子的性质螺旋性p

sH

=

p

s

ାି3、中微子存在的实验证明①间接证明测量

粒子和反冲核之间的角度关系：三体

vs.

两体。中微子静止质量近似为零测量Ｋ俘获过程反冲核的能量：Ｋ俘获的末态只有两个物体（中微子和反冲核）1952年，戴维斯(R.

Davis)研究了𝟕Be

的K俘获RRRRp2

p2

E2E2m

2m

2m

c2=

R

=

v

=

d

2

4

Ed

MeVER

100eV2mRc

10 MeV73Li+n

+0.86

MeV7

Be

+

e-

fi4

KR

E

=

56

eV②直接证明中微子与物质的作用极弱，对于

衰变中产生的中微子，其相互作用截面约为

ି𝟒𝟒

cm2。物质的原子密度

n约为

𝟐𝟑

cm-3。所以中微子在物质中的平均自由程为而地球的直径约为𝟒

km。表明中微子可以横贯地球通行无阻，因此，探测中微子需要庞大而又灵敏的设备1nsl

=

1

=cm

=1021

cm

=1016

km1023

·10-44莱尼斯和柯文实验的原理（1953-1959）利用中子衰变的的逆过程n

+p

fi

n

+e+若实验能探测到这过程中同时产生的中子和正电子，则直接证明了中微子的存在正电子湮灭产生一对0.511

MeV的

光子，这一过程大约10-9

s2.

中子在水中慢化后被吸收，放出几个

光子，总能量为9.1MeV，这一过程大约为

10-5

s反中微子与质子的作用截面Rb

ns

=

3600NF

e

e：每小时测得的事件数：靶中质子数：反中微子注射率𝒏

和