三、g 衰变和穆斯堡尔效应

    1. g 衰变

    处于激发态的原子核可以通过发射 g 射线跃迁到低激发态或基态,这种现象称为 g 衰变,或称 g 跃迁。g  射线就是光子流。核能级跃迁所发出的光子与原子能级跃迁所发出的光子没本质的差别,在不考虑核的反冲时,光子能量Eg可以表示为下面的形式

                         Eg = hn = Es -Ex ,                 (19-53)

图19-15

式中n 是光子的频率,Es Ex 分别是上、下核能级的能量。但是g 跃迁所发出光子的能量却与原子能级跃迁所发出光子的能量有显著不同,前者在keV到几十MeV之间,而后者却在eV到keV范围内。例如,医学上常用的放射源 ,经 b衰变转变为 ,不过是处于2.50 MeV的激发态,这个激发态的寿命极短,当它跃迁到基态时,将会放出能量分别为1.17 MeV和1.33 MeV两种 g 射线,如图19-15所示。

         大家知道,g 光子是与电磁相互作用相联系的,核能级跃迁既然辐射g射线,就表示核内的电磁相互作用发生了变化。所以,原子核能级的跃迁意味着原子核内电荷分布的变化或电流的变化。核内电荷分布可以等效为点电荷、电偶极子和电四极子等,所以电荷分布的变化就相当于电偶极子、电四极子等的变化,故将电荷分布变化对g 跃迁的贡献,称为电多极跃迁。核内电荷的运动将产生电流,简单电流环所产生的磁场相当于磁偶极子的磁场,复杂电流所产生的磁场则相当于磁多极子的磁场,所以核内电流的变化就相当于磁偶极子磁场、磁多极子磁场的变化,故将电流的变化对g跃迁的贡献,称为磁多极跃迁。

    2. 内转换和同质异能素

    有时,原子核从激发态到较低能态的跃迁并不放出光子,而是把能量直接交给核外电子,使电子脱离原子,这种现象称为内转换(IC ),脱离原子的电子称为内转换电子。内转换电子的动能Ke 应表示为

                      ,                        (19-54)

式中ei 是原子中第i壳层电子的结合能。由上式可以看到,内转换电子的动能必定具有分立值,而绝不会是连续谱。

         处于激发态的原子核可以通过放射 g 光子回到基态,也可以通过产生内转换电子回到基态,究竟发生的是哪种过程,完全决定于核的能级特性。常用内转换系数来表示内转换和 g 跃迁相对概率的大小,定义为

                          ,                       (19-55)

式中Ne Ng分别是内转换电子数和 g 光子数。内转换系数x 的大小可以从有关的常量表中查到。

         原子核处于激发态的寿命一般是很短的,比如为10-14 s,甚至更小。但有些激发态属于亚稳态,寿命比较长,大于0.1 s,处于这种激发态的核素称为同质异能素。同质异能素与处于基态的核素具有相同的质量数和相同的电荷数,为区别起见,同质异能素的核素符号左上角质量数后面加上字母m,如 的同质异能素, 的同质异能素,等等。

         3. 穆斯堡尔效应

         处于激发态的原子核发射出的 g光子被另一个处于基态的同类核所吸取,而跃迁到激发态,这种现象称为穆斯堡尔效应,也称为无反冲核 g共振吸取,是穆斯堡尔(R.L.Mossbauer)于1958年首先发现的。

         首先让大家探讨穆斯堡尔效应发生的条件。如果原子核在能量差为E0的能级之间跃迁,在发出 g射线的同时核发生了反冲,设反冲能量为ER ,那么发出的 g 光子的能量Eg应满足下面的关系

                        .                   (19-56)

如果有另一个同类核吸取一个 g光子而跃迁到激发态,这个核在吸取 g射线的同时也会发生反冲,不过反冲的方向与 g 光子的运动的方向相同,设反冲能量也为ER ,那么这个被吸取的 g 光子的能量必须为

                       .                   (19-57)

由式(19-56)和式(19-57)可以看出,孤立核在 g 跃迁时发出的 g 光子能量Eg比处于基态的同类孤立核跃迁到激发态所需要吸取的 g 光子的能量E¢g 要小2ER 。这就是说,处于激发态的孤立原子核发射出的 g 光子的能量不足以使另一个处于基态的同类孤立核跃迁到激发态,也就是说,不可能发生穆斯堡尔效应。

         根据不确定关系,任何有一定寿命的激发态都存在一定的能级宽度,g 跃迁时发出的 g射线的能量也相应地存在一定的范围,这个能量范围称为发射线的自然线宽,用G 表示。 的第一激发态的寿命为9.7´10-8 s,可以求得发射线的自然线宽为

         .

显然,吸取线也具有同样的自然线宽。

图19-16

         在核的反冲能量ER 比较小的情况下,尽管发射线的中心值(E0 -ER )与吸取线的中心值(E0 +ER )不重合,由于发射线和吸取线都具有一定宽度,它们将会有部分交叠区,如图19-16的阴影区域所示,仍然会有一部分核发生穆斯堡尔效应。所以有必要对具体情形估算一下反冲能量ER的大小。设原子核原先是静止的,释放g 光子后的反冲动量p的大小应等于g 光子的动量,所以

           ,      (19-58)

式中A是核的质量数。对于常用的 的第一激发态,E0 = 14.4 keV,代入上式,算得核的反冲能ER = 1.95´10-3 eV。可见,铁核的反冲能ER 比发射线和吸取线的自然线宽要大得多,所以,发射线和吸取线相距甚远而无交叠部分,不能发生穆斯堡尔效应。

         要发生穆斯堡尔效应,关键是减小核的反冲能ER ,使ER < G,反冲能越小,发射线与吸取线交叠部分越多,穆斯堡尔效应就越明显。如果束缚在晶体内的原子核发射或吸取 g 射线,那么通过晶体的结合能把ER 传递给整个晶体,而由于晶体的质量很大,整个晶体的反冲能实际上是非常小的。那么ER 是否会引起晶格振动呢?引起晶格振动就是激发声子,要激发声子,反冲能ER 必须是声子能量的整数倍。实际上对于低能 g 辐射(如 的第一激发态即属此类),反冲能量至多与声子能量同数量级。例如, 的第一激发态的g辐射的反冲能为1.95´10-3 eV,而声子能量约为10-2 eV。在这种情况下,反冲能不可能激发声子,这称为无声子过程。发生穆斯堡尔效应的条件得到满足。这说明,穆斯堡尔效应可以在固体中显著地发生并被观测到。对于液体样品,可以冷冻为固体进行测量。

         由于穆斯堡尔效应对能谱的测量具有很高的精度,所以得到了广泛的应用。对引力红移的测量是穆斯堡尔效应的重要应用例证。从一个半径为R、质量为M的星球表面上发出能量为hn 的光子,在无限远处接收到这个光子的能量应为

                        .

光子的质量可以表示为mg = hn /c2,代入上式,得

                         .                (19-59)

可见,由于引力的作用,光的频率变小了,波长变长了,即波长向红端方向移动,所以称为引力红移。例如,在太阳的辐射中,波长为500 nm的绿光,引力红移量约为0.001 nm,可见引力红移量一般是很小的。利用穆斯堡尔谱仪首次直接对此进行了测量,测量结果与爱因斯坦在广义相对论中的预言相一致。

         用穆斯堡尔效应可以探测原子核与其周围的物理和化学环境之间的超精细相互作用,从而为物质微观结构的分析提供重要的信息。因此,穆斯堡尔效应是研究物质的原子核性质、原子的电子组态、固体性质和化学结构等的重要手段,现已广泛地应用于物理、化学、生命科学和医药学,以及地质学、地矿学等众多领域。

       
XML 地图 | Sitemap 地图