§19-7  三类放射性衰变

         一、a衰变和衰变能的概念

         a 粒子就是氦原子核 ,包含两个质子和两个中子。母核经 a 衰变放出一个 a 粒子,自身转变为电荷数比母核少2、质量数比母核少4的另一种原子核,称之为子核。所以,a衰变可以表示为

                         ,                 (19-35)

式中X和Y分别表示母核和子核。例如,镭核经 a 衰变转变为氡的过程为

                       .

         实验表明,在 a 衰变中,每一种母核都放出一种或多种单一能量的a粒子,也就是说,a 粒子的能谱总是分立谱。这是 a衰变的一个重要特点。这可以从下面进行的衰变能的讨论中得到说明。

         衰变能是研究衰变过程的重要物理量,它定义为原子核衰变时所释放出的能量。显然,这部分能量将转变为衰变生成的所有粒子的动能。当静止的母核发生 a 衰变时,按照能量守恒定律,应满足下面的关系

                   mX c2 = (mY + ma ) c2 + Ka + Kr

式中mXmYma分别是母核、子核和 a 粒子的静质量,Kaa 粒子的动能,Kr 是子核的反冲动能。根据衰变能的定义,a 衰变能Ed 就是 a 粒子的动能与子核的反冲动能之和,即

                .        (19-36)

将上式中核的质量变换成相应的原子的质量,衰变能成为下面的形式

                   .           (19-37)

a 衰变能够发生的条件是Ed > 0,也就是

                        .                (19-38)

这表示,母核原子的质量必须大于子核原子与氦原子的质量之和,a 衰变才能够发生。

         如果母核在衰变前是静止的,那么根据动量守恒定律,子核反冲的动量必须等于 a 粒子的动量,即

                         ,

式中vYva分别是子核和 a 粒子的运动速率。于是衰变能可以表示为

        .    (19-39)

根据上式,大家可以由实验测得 a 粒子的动能Ka直接计算出衰变能Ed

图19-14

         原子核内部能量当然也是以能级的形式分布的,当发生 a衰变时,母核要从自身的某一能级跃迁到子核的某一能级,从而放出一部分能量并分给子核和 a 粒子作为它们的动能。显然,从母核到子核的转变所放出的这部分能量就是衰变能Ed,它必定等于母核与子核的相应能级之间的能量差,应该有确定值。由式(19-39)可以看出,既然Ed有确定值,a 粒子的动能Ka只能取分立值。例如,从 的衰变共发射出动能不同的五组a 粒子,如图19-14所示。这五组 a 粒子的动能分别为Ka0 = 5.498 MeV、Ka1 = 5.456 MeV、Ka2 = 5.357 MeV、Ka3 = 5.206 MeV和Ka4 = 5.007 MeV,它们依次是从 的基态到 的基态、第一激发态、第二激发态、第三激发态和第四激发态的衰变过程中发射出的。图19-14中 a 粒子动能值后面的百分数表示该种a粒子所占的比例。由测得的各组 a 粒子的动能Ka,可以根据式(19-39)计算出相应的衰变能Ed ,从而可以确定 的最低的五个能级的能量,图19-14中 能级的能量值就是用这种方法确定的。实验观测 的相邻能级之间跃迁所发出的 g射线能量与上面的计算结果相一致。可见,测量 a衰变所发射的 a 粒子的动能是研究原子核能级结构的一种途径。

       
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