第三章--跃迁.ppt

1、,3.3 跃迁,衰变：原子核从激发态通过发射光子或其他过程跃迁到较低能态的过程。该过程核电荷数不变、核子数不变。, 跃迁发射粒子能量在几KeV十几 MeV, 跃迁半衰期范围为，10-16s10-4s, 跃迁的基本特点：, 跃迁包括跃迁和内转换电子两种形式。,跃迁是核能级之间的跃迁：,1、跃迁,光子的性质：,衰变能：,内转换电子也是核能级之间的跃迁：,2、内转换电子,内转换电子能谱是分立的。,内转换电子主要来自原子的内电子层。,内转换效应与发射光子是相互竞争的。,内转换系数,3、辐射的多极性及跃迁选择定则,1)、经典电磁辐射的多极性,电偶极子 电偶极辐射,电四极子 电四极辐射,电八极子 电八极辐

2、射,电多极辐射：电荷运动产生的辐射,磁偶极子 磁偶极辐射,磁四极子 磁四极辐射,磁八极子 磁八极辐射,磁多极辐射：电流变化产生的辐射,经典电磁辐射是指宏观的电荷电流体系所产生的电磁辐射，可用经典力学规则描述。多极辐射的能量和角动量都是振动频率的函数，对于宏观体系，频率可以取任意值，能量和角动量也可以取任意值。,2)、原子核的多极辐射,原子核是一个电荷、电流的分布系统，处于激发态的核发射 射线退激，类似于经典电荷电流分布变化而发射电磁波，由此产生的辐射也具有多级辐射的性质。,但原子核是一个微观体系，其运动规律与宏观体系的运动规律有质的不同。微观体系的特点之一是量子化，其能量和角动量只能取某些分立

3、的值。另外，原子核的状态还有确定的宇称。,电多极辐射的实质主要是由原子核内电荷密度变化引起的；磁多极辐射则由电流密度和内在磁矩的变化所引起。, 辐射的多极性是指辐射的电磁性质和极次,A）由辐射的角动量和宇称即可定出辐射的多极性。,B）由辐射的多极性也可以定出辐射的角动量和宇称。,3)、 跃迁的选择定则, 跃迁是电磁相互作用，角动量和宇称守恒,光子带走的角动量为,先来看光子带走的角动量：,根据角动量守恒：,根据跃迁理论及实验，L 越大跃迁几率越小，所以一般 L 取最小值，即：,光子的自旋为，则跃迁中被光子带走的角动量不可能为零，至少为1。,解释为何 0 0 跃迁不可能通过发射光子实现？那么这种情

4、况下，退激是如何实现的？,光子带走的宇称为,再来看光子带走的宇称：,根据宇称守恒：,跃迁前后原子核宇称不变：,跃迁前后原子核宇称改变：,为“”,为“”,根据宇称和角动量奇偶性，辐射分为两类：,A、宇称的奇偶性和角动量的奇偶性相同,B、宇称的奇偶性和角动量的奇偶性不同,电多极辐射,磁多极辐射,根据 跃迁概率公式：,(3) 类型、极次相同，相邻能级能量差越小，跃迁概率越小。,(2) 同一极次，电多极辐射概率比磁多极辐射概率大个数量级；,(1) 同一类型跃迁，高一极次概率比低一极次概率小三个数量级；, 跃迁选择定则,原子核始态,原子核终态,光子,括号内跃迁类型表示可能同时发生。, 跃迁选择定则的应用

5、：,A、根据原子核始态和终态，定出跃迁极次,B、根据跃迁类型与原子核始态或终态中一个的自旋和宇称，定出另一的自旋和宇称,根据内转换系数的实验值与理论值的比较，可以确定跃迁的多极性，从而可以确定原子核的角动量和宇称的变化或已知其中一个能级的状态确定另一能级的状态。,内转换系数在确定跃迁多极性方面的应用,例如：60Co衰变为60Ni后有两次跃迁，能量分别为1.17MeV和1.33MeV。,实验测得这两次跃迁的内转换系数实验值分别为：,而理论计算的 的理论值（104）为：,可见，两个跃迁均是E2跃迁。,已知60Ni基态的能级特性为：,则，其第一激发态的自旋和宇称为：,第二激发态的自旋和宇称为：,再根

6、据衰变的选择定则知第二激发态只能取,内转换系数对跃迁概率的修正,实验测得的能级寿命既包含跃迁的贡献，也包含内转换的贡献。,即：,则：,例如：60mCo到60Co的跃迁，实验测得此跃迁的内转换系数为：,则：,若不考虑内转换系数的修正，则有：,而该跃迁概率的理论值(按公式计算)为：,修正后，实验值和M3理论值相符；,不修正，实验值和E3理论值相符。,4、同质异能跃迁,同质异能素：寿命长于0.1s的激发态核素。,同质异能跃迁：同质异能素发生的跃迁（或内转换）。,同质异能态的角动量与基态或相邻较低激发态的角动量之差较大，能量之差一般比较小，因而跃迁概率比较小。,长寿命同质异能态随核子数的变化有一定规律

7、性,同质异能跃迁时，I 3，条件为 A 40,轻核中没有同质异能素,同质异能素岛： Z, N=50, 82, 126前。,同质异能素的寿命较长；,同质异能素的内转换系数较大。,5、穆斯堡尔效应Mssbauer Effect,无反冲 共振吸收.,A、发射 射线能量：,B、吸收 射线能量：,由于核反冲的存在：,发射 射线与吸收 射线能量之差：,但按照不确定关系：,由于反冲能的存在，发射光子不能引起光子吸收。,能级有一定宽度，不是线谱。,发射谱和吸收谱有可能重叠。,要发生显著的共振吸收，必须具备：,但一般情况下：,由：该激发态的半衰期,可求出：,穆斯堡尔效应的原理：,将核束缚起来,即：可发生共振吸收

8、.,由于无反冲不是绝对的，发射能量需要补偿,多普勒效应,怎么补偿？,光子能量的变化,这时反冲能量0，容易实现：,实验中，可以利用多普勒效应补偿由于反冲或振动或原子环境引起的能量变化。,穆斯堡尔效应的特点：,能量分辨本领非常高。,测量的灵敏度可以达到,穆斯堡尔效应的实现与应用：,穆斯堡尔谱仪由放射源、吸收体、探测器和驱动装置组成。,穆斯堡尔核素的条件：足够小能级宽度，即激发态寿命足够长；能较容易将放射源核素固定到晶体中。,反冲能由多普勒效应补偿。,实验样品(共振吸收体)中必须含有放射性核素共振吸收材料。,穆斯堡尔效应应用十分广泛，特别是要求测量灵敏度非常高的领域。,重力红移的测量,则频移：,若,

9、1960年，庞得的测量结果：,核能级的超精细结构研究：,核外电子等对核能级的影响而造成的核能级的分裂现象研究。,磁分裂：,Parity - a quantum number describing the symmetry of the mirror reflection. Parity is even if P =+ , Parity is odd if P = - .,Parity,n个粒子的总宇称:,衰变中的宇称不守恒, - 疑难 ( - puzzle),-疑难：指 介子和 介子的同一性的问题。,实验发现，介子和介子的一切性质均相同：,+介子和 +介子衰变方式不同：,已知，、介子的自旋均为

10、零，介子的内禀宇称为奇。,根据角动量守恒定律：,均为零，可以推知,如果衰变过程宇称是守恒的，那么有：,它们的相对运动角动量均为零。,即：,对+衰变：,对+衰变：,如果认为宇称守恒成立，那么只能判定与不是同一种粒子。,分析结论：,由它们的质量、寿命等性质相同而认为与是同一种粒子。,解决-疑难的办法只有两种：,1)、认为是同一种粒子，宇称在这种衰变中不守恒。,2)、认为宇称守恒普遍成立，和是两种不同粒子。,1956年，李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒假说，认为和是同一种粒子，-疑难 是弱相互作用宇称不守恒的表现。并建议通过测量极化60Co核的-衰变来检验宇称是否守恒。,极化60Co核的衰变实验,极化：使原子核的自旋按一定的方向排列起来。,实现要点：低温和外加磁场。,吴健雄等人在美国国家标准局的实验。,实验结果,The parity is not conserved in weak interactions and decays.,