第2章-原子核的放射性与衰变.ppt

1、辐射物理,成都理工大学核自院,主讲教师: 田晓峰,主 要 参 考 教 材,核辐射物理基础 樊明武等编著 暨南大学出版社（2010年） 原子核物理（修订版） 卢希庭等编著 原子能出版社（2000年）,*第二章 原子核的放射性与衰变,有许多天然的和人工生产的核素都能自发地发射各种射线，如发射射线、射线、 射线、正电子、质子、中子等其它粒子（属于亚原子粒子）。,亚原子粒子 ( 原子大小 10-10 m） 射线 氦原子核（4He） 2.2 x 10-15 m 射线 电子(e)经典电子半径 2.8 x 10-15 m 射线 光子(电磁辐射） 0 质子和中子 12 x 10-15 m 原子核 Au (金）

2、 7 x 10-15 m,他在磁场中研究上述射线的性质时，证明它是由三种成分组成的：,磁场对,射线作用示意图,射线（由高速运动的氦核组成）：在磁场中的偏转方向与带正电的离子流的偏转相同带正电；它的电离作用大，贯穿本领小。,射线（由高速运动的电子流组成）：在磁场中的偏转方向与带负电的离子流的偏转相同带负电；它的电离作用较小，贯穿本领较大。,射线（波长很短的电磁波）：在磁场中不发生任何偏转不带电；它的电离作用小，贯穿本领大。,放射性的一般现象：,1896年，贝可勒尔在研究铀矿的荧光现象时，发现铀矿物能发射出穿透力很强并能使照相底片感光的不可见射线。,原子核自发地发射各种射线的现象，称为放射性。,能

3、自发地放射各种射线的核素称为放射性核素，也叫不稳定核素。,放射性现象是由原子核的变化引起的，与核外电子状态的改变关系很小（加温、加压、加磁场无法抑制射线的发射），对放射性的研究是了解原子核的重要手段。,放射性与原子核衰变密切相关。,放射性：,原子核衰变：,自然界中，有些核素的原子核能自发地发生变化，从一个核素的原子核，变成另一个核素的原子核，并伴随放出射线，这种现象称为“原子核衰变”。,原子核衰变的基本类型：,主要有三种基本类型，分别是： 衰变、 衰变、 衰变（ 跃迁）。,核辐射：,不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。 中子 质子 裂变碎片等,原子核衰变主要的

4、类型: a, b, g,Type of Radiation Charge/MassPenetration a = He nucleus +2q/4mp sheet of paper b = electron or positron q/me or +q/me few mm metal g = high-energy photon no chargeseveral cm lead,此外，还有中子发射、质子发射、裂变等,各种辐射的穿透能力,2.1 衰变 2.2 衰变 2.3 衰变 2.4 衰变纲图 2.5 放射性核素衰变的基本规律 2.6 放射性活度及其单位 2.7 放射性核素的递次衰变规律 2.

5、8 放射性平衡 2.9 核衰变规律和放射性平衡的应用,第2.1节 衰变,一、衰变的含义,衰变：,放射性核素的原子核自发地放出 粒子而变为另一种核素的原子核的过程称为衰变。,粒子是一个高速运动的氦原子核(4He)卢瑟福和罗伊兹已用实验证明。,粒子质量与氦核的质量相等，即m=4.001507u。,粒子的特征：,粒子由两个质子和两个中子组成，带两个单位的正电荷。,衰变的表达方式：,放射性核素经衰变后，子核较母核的核电荷数减少2，而质量数较母核减少4 。若用 代表母体核素， 代表子体核素，则衰变可用下式表示：,上式中的Q衰变能，即母核衰变成子核时所放出的能量。它被子核和粒子共同分得（按动量能量守恒原理

6、分配）。,例如：,母核 子核 发射射线 衰变能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) (2,4),从母核中射出 的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核!,基本衰变衰变,238U发生衰变的示意图如下：,衰变241Am 237Np,二、衰变的基本规律,（一）衰变发生的条件,衰变能Q被子核和粒子共同分得。如果EZ-2、E分别表示子核和粒子的动能，则：Q= EZ-2+E,对于衰变的表达式：,以mZ、mZ-2、m分别表示母核、子核及粒子的质量，根据质能

7、关系，衰变能Q也可用以下公式表示：,原子核要自发地发射粒子，显然必要条件是衰变能大于0。,在实际计算中，不用原子核的质量而用相应的原子质量。以MZ、MZ-2、MHe 、me 分别表示母体、子体、氦原子及电子的质量，上式可写成：,实验表明，不是所有的原子核都能产生衰变。对于天然放射性核素而言，衰变主要发生在重核。确切地讲，衰变主要发生在A140的重核区域。,很显然，必须Q0，粒子才能从母核内飞出。于是：,可见，产生衰变的核素满足的必要条件是母体质量大于子体和氦原子的总质量。,（注：该表达式只适合从母核基态衰变到子核基态的衰变）,例如， 原子质量分别为：209.9829u，205.9745u，4.

8、0026u。,M0，Q0，可以发生衰变。,又如，？ 原子质量分别为：63.9298u，59.9338u，4.0026u。,M0，Q0，不可能发生衰变。,（二）衰变能Q与粒子动能的关系,衰变前，母核静止，动量为0。衰变时， 粒子向一个方向射出时，子核就向相反方向反冲，所以子核的动量与 粒子的动量相等而方向相反。,因为衰变能是在衰变过程中原子核释放的能量，这些能量一部分成为 粒子的动能，另一部分成为子核的反冲动能。,根据衰变前后的动量守恒原理有:,根据衰变前后的能量守恒原理有:,式中，v、vZ-2分别表示粒子和子核的速度，下同。,由以上两式可得，,或,，同理可得：,（根据子核 、粒子 ）,由于衰变

9、核的质量A 大多在200以上，当A=200时，由(2.1) 式可求得 ，所以衰变能量绝大部分被粒子带走。,用原子核的质量数A代替原子核质量：,（三）粒子能量及其与核能级的关系,粒子的能量一般分布在49MeV范围内。,早期实验： 衰变中每种核素只发出单一能量的粒子。,粒子能量越大，在物质中穿过的距离(射程)越大。通过测量粒子在空气中的射程，可以得到粒子的能量。,后来的高精度方法： 用磁谱仪方法(104)或半导体探测器谱仪精确测定粒子的能量。,发现一种核素也可以发射几种不同能量的粒子。,粒子能量的取值是离散（分立、单值）的。,粒子的能量：,1、短射程粒子：从母核的基态衰变到子核的激发态（第i激发态

10、）时所发射的粒子，处于激发态的子核通过放出射线退激到基态；,2、长射程粒子：如果母核本身是一个衰变产物，那么母核不仅可处于基态，也可能处于激发态。从母核的激发态衰变到子核的基态时所发射的粒子。,注： 激发态发射射线还是发射粒子，决定于相互竞争的这两个过程的概率。 由于发射概率比衰变的概率大几个数量级，因此长射程粒子的强度极低。 在天然放射性核素中只观察到212Po和214Po有长射程粒子。,粒子的能量与核能级的关系：,由上述内容可见，测量母核放射出来的粒子的能量就能确定子核能级的能量值，从而为研究原子核结构提供数据。,方法：,(3)根据能量守恒定律可知，子核的各激发能级的能量为母核对应两组的衰

11、变能之差。,(1)测量出母核放射出来的粒子的所有不同能量值(E)；,(2)由公式 可分别求得相应的衰变能Q；,举例：,1、以 为例进行说明。,可见：实验测得的子核各激发能级值与 符合良好，这表明短射程粒子的确是从母核基态跃迁到子核激发态时所产生的。,212Bi的粒子能谱,2、以 为例进行说明。,212Bi的粒子动能E及衰变能E0如下表所示：,其中：,212Bi的衰变与208Tl的能级图,0.327,0.040,0,衰变能E0,*第2.2节 衰变,一、衰变的含义及特点,衰变：,衰变是指原子核自发地放射出粒子或俘获一个轨道电子而变成另一个核素的原子核的过程。,粒子是电子和正电子的统称。,粒子：,电

12、子和正电子的质量相同，电荷的大小也相等，但电荷符号相反。,衰变：,原子核衰变时，放出电子的过程称为 衰变。,+衰变：,原子核衰变时，放出正电子的过程称为+ 衰变。,轨道电子俘获：,原子核从核外的电子壳层俘获一个轨道电子，称为轨道电子俘获。,俘获K层电子，称为K俘获； 俘获L层电子，称为L俘获；。,由于K层电子最靠近原子核，因而一般K俘获的概率最大。,衰变的特点：,衰变发射出粒子的能量范围在几十KeV几MeV。衰变与衰变不同，它不仅在重核范围内能发生，在全部周期表的范围内都存在放射性核素（放射性核素遍及整个元素周期表）。,发生原因：母核的中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷

13、,中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷,二、衰变的三种类型,（一）衰变的原因,质子过多,中子过多,（二）衰变,衰变过程：,放射性核素的原子核放射出粒子而变为原子序数加1而质量数相同的核素，叫做衰变。可表示为：,衰变可以看成是母核中有一个中子变为质子的结果，可表示成:,发生衰变的原因 ：原子核中的中子数太多,从核衰变中放射出粒子，被物质阻止之后，就成为自由电子，它和一般的电子没有什么区别。,母核、子核是电荷数为Z、Z+1的同量异位素（A同Z不同）。,衰变实例：,14 C原子核中的中子发生 -衰变，产生一个质子， 一个负电子和一个反中微子 中子-衰变： n p + e- +,基本衰变衰变,1

14、4C的的衰变的动画演示：,衰变3H 3He,发生衰变的条件：,定义：衰变能Q等于衰变前后静止能量之差。,用mX，mY，me分别代表母核、子核和电子的静止质量。考虑到反中微子的静止质量为0，则-衰变的衰变能Q：,若以原子质量MX，MY表示，并且忽略电子在原子中结合能的差异，那么,因此，-衰变能等于母核原子和子核原子的静止能量之差。可见，发生-衰变的条件为：,(母核的原子质量大于子核的原子质量),丰中子核素大多具有衰变。,天然放射系，重核裂变， (n, )人工放射性核素等。,3H和3He的原子质量为：3.0160497u，3.0160297u。,例如，氚核的衰变，,衰变能是多少？,粒子的能谱特点：

15、,因为这三个粒子的发射方向所成的角度可以是任意的，所以每个粒子带走的能量是不固定的。,由于-粒子的质量比子核的质量小几千倍乃至几十万倍，因此衰变能绝大部分被-粒子和反中微子带走，而子核所带走的反冲动能是微不足道的，所以:,式中， 分别表示子核、-粒子、反中微子的动能。,可以从最小的零值 到最大值 形成一个连续能谱。,-衰变过程中有三个生成物： ，因此在衰变过程中所释放出来的衰变能将被这三个粒子分配。,实验测得的-能谱是连续的，如下图所示：,-能谱的三个特点： 1）能谱连续分布，与分立的能谱不同； 2）有确定的最大能量Emax(=衰变能Q)； 3）大约在1/3 Emax处有极大值（该能量值的 -

16、粒子的强度最大）。,-粒子平均能量：,（三）+衰变,+衰变过程：,母核、子核是电荷数为Z、Z-1的同量异位素（A同Z不同）。,放射性核素的原子核放射出+粒子（正电子）而变为原子序数减1而质量数相同的核素，叫做+衰变。可表示为：,+衰变可以看成是母核中有一个质子变为中子的结果，可表示成:,发生+衰变的原因 ：原子核中的质子数太多,天然存在的放射性核素是不会发生+衰变的，这种衰变类型的核素都是人工放射性核素。,+衰变实例：,27Si 原子核中的质子发生+衰变，产生一个中子， 一个正电子和一个中微子。,例如：,13N 原子核中的质子发生+ 衰变，产生一个中子， 一个正电子和一个中微子。,+衰变11C

17、 11B,11C（示踪核素）是具有+放射性的核素：,发生+衰变的条件：,用mX，mY，me分别代表母核、子核和正电子的静止质量。考虑到中微子的静止质量为0，则+衰变的衰变能Q：,若以原子质量MX，MY表示，并且忽略电子在原子中结合能的差异，那么,定义：衰变能Q等于衰变前后静止能量之差。,因此，+衰变能等于母核原子的静止能减去子核原子的静止能再减去两个电子的静止能。可见，发生+衰变的条件为：,+衰变发生在缺中子区。,例如，13N核的+衰变：,+粒子的能谱特点：,因为mZ-1远大于me和mv，故：,式中， 分别表示子核、+粒子、中微子的动能。,所以+和-粒子的能谱类似，也是连续能谱。能谱曲线也有一

18、个最大值 ，曲线的高峰约在 附近。,+衰变过程中有三个生成物： ，因此在衰变过程中所释放出来的衰变能Q将被这三个粒子所分配，而每个粒子带走的能量也是不固定的。,（四）轨道电子俘获（通常用ECElectron Capture或表示）,轨道电子俘获过程：,母核、子核是电荷数为Z、Z-1的同量异位素（A同Z不同）。,发生电子俘获的核衰变中，子核数量A（即质量数）不变，只是原子序数（质子数）减少1 。其衰变过程可用下式表示:,轨道电子俘获可认为是核获得了它的一个核外电子而使核中一个质子转变成中子，同时放出中微子的过程：,发生轨道电子俘获的原因 ：原子核中的质子数太多,因为K层电子最靠近原子核，因此发生

19、K层俘获的几率比其他壳层俘获几率大，所以有时又叫做K电子俘获。,(中微子),轨道电子俘获实例：,40K 原子核中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，放出一个中微子。,例如：,55Fe 原子核中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，放出一个中微子。,电子俘获7Be7Li,发生轨道电子俘获的条件：,轨道电子被俘获，必须克服它在原子中的结合能Wi，下标i表示K，L，M等电子壳层。发生第i层电子俘获的衰变能：,用原子质量来表示，并且忽略电子在原子中结合能的差异，则：,式中，Wi是电子在子核原子中的结合能。,可见，发生第i层的轨道电子俘获的条件为：,(母核与子核的原子质量之差大于 子核原子第i层电子结合能的相

20、应质量),由于K层电子最靠近原子核，因而K俘获的概率最大。,比较发生+衰变和轨道电子俘获的条件，可知：,而,（+衰变条件）,（轨道电子俘获条件）,能发生+衰变的原子核可以发生轨道电子俘获。反之，能发生轨道电子俘获的原子核不一定能发生+衰变。,若仅从能量条件来考虑：,原则上，当能量满足+衰变的条件时，轨道电子俘获和+衰变可同时有一定的概率发生。,但两者发生的概率之比，则要根据具体情况而定，有时实际上只可能观察到一种过程，另一种过程的概率小到可忽略不计。,实际情况：,主要是由能量条件来决定。,轨道电子俘获产生的次级辐射来源：,当K 层一个电子被俘获后，就留下一个空位，这时虽然子核处于稳定状态，但是

21、子核原子作为一个整体仍是不稳定的，因此比K 层能级更高的核外电子(如L 层电子)有可能跃迁至K 层填补被俘获电子的空位，多余的能量便转变为X 射线放射出来。,特征X射线的发射：,轨道电子俘获过程所形成的子核原子，它的内层电子缺少了一个，产生了空位(如图示)。以K俘获进行说明：,这种X射线（电子俘获后产生的子核次级辐射）被称为子核原子的特征X 射线(也称标识X射线) 。它的能量等于K层与L层电子的结合能之差。,俄歇电子的发射：,(WLWK),可见，EC过程可能伴随着子核的特征X射线的发射。,K俘获过程的另一种伴随粒子是俄歇电子。当K层电子被原子核俘获后， L层的电子跃迁到K层填补空位时，可以不发

22、射X射线，而把多余的能量直接传给另一个L层的电子(或其他壳层的电子) ，使它脱离原子核的束缚(克服结合能，-WL)而成为自由电子发射出来，这种自由电子叫做俄歇电子( Auger electron) 。,特征X射线能量(LK壳层)：,它的能量是单色的。,俄歇电子的动能：,特征X射线和俄歇效应,如果填充K层的电子不是来自L层而是来自M层，俄歇效应在M层发生，则俄歇电子的动能为：,因为EC过程只发射中微子，而中微子在实验中很难探测。因此，可通过探测伴随粒子特征X射线或俄歇电子来判断及记录EC发生。,不满足发生+衰变的条件,实验观察到55Mn发出的5.898keV的特征x射线K线。,1、能量条件,衰变

23、： +衰变： 轨道电子俘获：,2、衰变几率,当满足+衰变条件时，也可能发生轨道电子俘获。 轻核衰变能较大，+衰变几率远大于轨道电子俘获几率； 重核衰变能较小，轨道电子俘获几率远大于+衰变几率； 中等质量核， +衰变和轨道电子俘获同时发生。,（五）衰变三种类型小结,3、分支比,一些核可能同时满足三个条件，可以同时以三种方式进行衰变，各有一定的分支比。,满足衰变的能量条件,满足+衰变的能量条件,满足EC衰变的能量条件,思考题：,1、请写出衰变的表达式。产生衰变的核素满足的必要条件是什么？,2、设母核的质量数为A=238，求衰变时，衰变能Q在粒子和子核之间的分配比值关系。,4、对于 ，已知母核衰变所

24、放出的各粒子的能量（右图所示），请计算母核的各激发态能级的能量值。,3、请说明放射性核素进行衰变时，放出的粒子的能量具有哪些特点。,8、请阐述EC过程中，产生X射线或发射俄歇电子的原因。,5、请说明核素发生衰变的原因以及衰变的类型有哪些？,6、请说明各种衰变类型发生的条件、各种衰变类型的表达式。,7、请说明-(+)粒子的能谱特点，以及与能谱的主要差别是什么？,本 节 结 束谢 谢！,1、请写出衰变的表达式。产生衰变的核素满足的必要条件是什么？,2、设母核的质量数为A=238，求衰变时，衰变能Q在粒子和子核之间的分配比值关系。,原子核要自发地发射粒子，必要条件是衰变能大于0。,可见，产生衰变的核素满足的必要条件是母体质量大于子体和氦原子的总质量。,3、请说明放射性核素进行衰变时，放出的粒子的能量具有哪些特点。,同一种放射性核素进行衰变时，放出的粒子的能量是一定的（放出单一能量或几种能量