七、三类放射性衰变(§19-7)

    1. a衰变和衰变能的概念

    (1)  a衰变的基本特征

    a)  a衰变可以一般地表示为

                           .

可见,子核的电荷数比母核减少2,在元素周期表上的位置比母核向前移动两位。所以上式所表示的规律,也称为 a衰变的位移定则。

    b)  a衰变中,a 粒子的能谱总是分立谱。

    (2)  原子核衰变时所释放出的能量就是衰变能,在 a衰变中,衰变能等于a粒子的初动能和子核反冲动能之和,即

             .

    a)  因为衰变能等于母核与子核的相应能级之间的能量差,有确定值,所以,从上式可以得到 a 粒子的动能Ka只能取分立值的重要结论。

    b)  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。

    2. b衰变和中微子假说

    (1)  b衰变包括三种情况:

    b-衰变 

                        .

    b+衰变

                         .

    电子俘获(EC)

                          .

    从这三种情况看,在   b衰变中,子核的质量数总是与母核的质量数相同,并且都伴随着电子中微子的产生:当子核的电荷数减少1时,产生电子中微子,当子核的电荷数增加1时,产生反电子中微子。

    (2)  中微子假说的实验依据

    a)  如果 b衰变只是母核转变为子核并放出电子的过程,那么根据动量守恒定律,子核反冲的方向与电子的运动方向应处于同一直线上,而实验发现它们并不在同一条直线上。

         b)  a衰变相同,b衰变过程也是在不同原子核能态之间的跃迁,衰变能必定是分立值,所以 b电子的动能也应该是分立值。但实验确认,电子的动能可为从零到某一最大值Em之间的任意值。

    c)  如果 b衰变只是母核转变为子核并放出电子的过程,那么由于 b电子是费米子,自旋为1/2,衰变前、后系统的自旋量子数是半整数的奇数倍还是偶数倍的情况必定要发生变化,也就是统计性必定要发生变化。但是实验却发现,b衰变前、后原子核的自旋量子数是半整数的奇数倍还是偶数倍的情况不改变,也就是原子核是玻色子还是费米子的统计性不改变。

    中微子的静质量几乎为零,不带电荷,是费米子,自旋量子数为1/2。在 b衰变中,在放出一个电子的同时,还释放出一个中微子,也就是,两个自旋量子数都为1/2的费米子同时离开母核,使上述矛盾得到了解决。

    (3)  弱相互作用的 b 衰变理论的基本思想可以概括为以下几点:

    a)  b- 衰变是原子核内的一个中子转变为质子的过程,b+ 衰变和电子俘获是原子核内的质子变为中子的过程,而质子和中子是核子的两个不同的状态;

    b)  中子与质子之间的转变相当于量子态之间的跃迁,电子和中微子就是在这种跃迁过程中释放出来的,它们并不存在于原子核内;

    c)  电子和中微子是与弱相互作用相联系的,正像 g光子是与电磁相互作用相联系的一样。

    3. g 衰变和穆斯堡尔效应

    (1)  g 衰变也称  g 跃迁,是原子核从高能态到低能态跃迁所发出的辐射。

    a)  原子核从高能态到低能态跃迁所发出的 g光子,与原子从高能态到低能态跃迁所发出的 g 光子无本质差异,仅表现为能量大小的不同。由于核子之间是以强大的核力相结合的,所以核能级间距比原子能级间距大得多,所发出的 g 光子的能量也大得多。

    b)  因为 g光子是与电磁相互作用相联系的,所以, g 光子的辐射意味着原子核内电荷分布的变化或电流的变化。将电荷分布变化对 g 跃迁的贡献,称为电多极跃迁;将电流的变化对  g 跃迁的贡献,称为磁多极跃迁。读者只需了解 g 跃迁包括这两类跃迁就够了。

    (2)  内转换和同质异能素

    a)  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,这就是内转换。内转换电子的动能显然来自核能级跃迁所释放的能量Es - Ex,同时,核能级跃迁所释放的能量Es-Ex还必须支付内转换电子与原子的结合能ei才能使内转换电子脱离原子。所以就有下面的关系:

                          ,

这就是教材中的公式(19-54)

    b)  处于寿命较长的亚稳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相比,没有本质的差异,只是前者处于较高的能态。

    (3)  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。

    a)  要发生或观测到穆斯堡尔效应的关键问题,就是尽可能地减小反冲能ER

19-2

    b)  对于孤立核,无论是发射 g 光子还是吸取 g 光子,反冲是不可避免的,并且跃迁到激发态的同类核所需要吸取的 g 光子的能量要比处于激发态的核在 g 跃迁时发出的 g 光子的能量大2ER,所以孤立原子核的穆斯堡尔效应是不可能发生的。

    c)  对于大数原子核来说,无论是所发射的 g 光子的能量还是所吸取的 g 光子的能量,都表现出一定的分布曲线,如教材中图19-16所示。无论是发射线还是吸取线,都有一定的宽度,常用自然线宽表示。自然线宽是指峰值的1/处曲线的宽度,在图19-2中就是ab两点间的距离(Eb - Ea ),在教材中用G表示。

    d)  如果原子核是束缚在晶体中的,那么无论是发射 g 光子还是吸取 g 光子,原子核发生的反冲很小,同时也不会引起晶格振动,即无声子过程,这时,穆斯堡尔效应可以显著地发生并被观测到。

    4. 放射性同位素的应用

    教材(下卷)315 ~317页中对放射性同位素的应用作了较为全面而又简要的先容,读者可以从中了解到,无论是在科学研究中,在国民经济中,还是在人们的日常生活中,放射性同位素都有十分重要和广泛的应用。

       
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