42原子核的衰變

1、原子核原子核（nucleus）都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子和中子叫重子，因?yàn)樗鼈?比電子重了近兩千倍，所以普通物質(zhì)被簡(jiǎn)化地稱為重子物質(zhì)， 電子被無情地忽視 了。而質(zhì)子和中子都是由兩種夸克構(gòu)成，這兩種夸克有兩個(gè)普通得不能再普通的 名字，上夸克和下夸克。原子核結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)到的原子核的質(zhì)量都接近于氫原子核質(zhì)量的整數(shù)倍。1919年，盧瑟福通過反應(yīng)發(fā)現(xiàn)了一種粒子，它帶一個(gè)單位正電荷的電量，其質(zhì)量與氫原子核質(zhì)量相等， 這種粒子被稱為質(zhì)子。同時(shí)，用快速a粒子轟擊其他兀素的原子核時(shí)也能產(chǎn)生這 種粒子。這個(gè)發(fā)現(xiàn)說明了原子核內(nèi)是包含質(zhì)子的。 但是原子核一般不能只由質(zhì)子 組成。就拿最簡(jiǎn)單的氘原子核來說它的電荷等于質(zhì)子

2、電荷，但質(zhì)量卻為質(zhì)子的 兩倍。原子核中還應(yīng)包含什么成分呢？人們根據(jù)放射線中有B射線（即電子流組成的射線），曾設(shè)想原子核是由質(zhì)子 和電子構(gòu)成的。但這不可能。人們可給出許多論證說明電子不可能存在于核內(nèi)。 例如，由不確定關(guān)系 x ph（其中 x、 p分別為電子的位置和動(dòng)量的不確定 性）。利用相對(duì)論公式E2=p2c2+me2c4可以估計(jì)核內(nèi)存在的自由電子能量約為數(shù) 十MeV而B衰變中觀測(cè)到的電子最大的能量不超過數(shù)MeV直到1932年查德威克（Chadwick）發(fā)現(xiàn)了中子。人們才搞清了核的基本組成。 原子核是由質(zhì)子與中子組成的。1930年，玻特（W.Bothe）等人利用反應(yīng)0（+JSc+,理即用a粒子轟

3、擊鋰、鈹?shù)容p元素時(shí).發(fā)現(xiàn)一種貫穿力較強(qiáng)的輻射，它能穿過厚的鉛板被計(jì)數(shù)管記錄下來。同年，約里奧居里夫婦重復(fù)實(shí)驗(yàn)用釙a源照射鈹靶，并用所放出的那種穿透性強(qiáng)的“射線”去轟擊石蠟。遺憾的是，玻特和約 里奧居里夫婦都把這種輻射看成丫射線。實(shí)際上，根據(jù)康普頓散射計(jì)算得到的 丫射線能量與通過吸收法測(cè)得的此“射線”能量相矛盾?？梢哉f，他們走到一個(gè) 重大發(fā)現(xiàn)的邊緣，但沒有想到“中子”的可能。查德威克在了解到約里奧居里夫婦的工作后，立即意識(shí)到他們觀測(cè)到的不 是康普頓散射。重復(fù)做了上述實(shí)驗(yàn)并經(jīng)過認(rèn)證分析后，查德威克大膽預(yù)言這種未 知射線是一種新的粒子，它不帶電，質(zhì)量和質(zhì)子相近，稱為“中子”。盧瑟福的 預(yù)言終于得到了

4、證實(shí)。查德威克還利用 1H和14N的反沖實(shí)驗(yàn)對(duì)中子質(zhì)量進(jìn)行了 估計(jì)。在彈性碰撞下，考慮能量和動(dòng)量守恒，可以很方便地得到下式：乙二叫+ 14Kv 叫+1其巾VH VN分別為反沖氫核和氮核的速度，mn為中子的質(zhì)量。查德威克的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是 VH=3.3X 109cm/s，VN=4.7X 108cm/s，由上式可計(jì)算 mr。計(jì)算結(jié)果 表明中子質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量略大一些。 中子的發(fā)現(xiàn)是核物理發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。 中子的發(fā)現(xiàn)不但說明原子 核由質(zhì)子和中子組成， 更重要的是 . 人們找到了極好的轟擊和分裂原子核的炮彈， 開始了一系列重要的核反應(yīng)研究。大大推動(dòng)了原子核物理的發(fā)展。不同的原子核所含有的質(zhì)子和中子

5、數(shù)目不同。 中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子， 它們 的質(zhì)量差不多相等，但中子不帶電，質(zhì)子帶正電.其電量為Ze。因此，電荷數(shù)為 Z的原子核含有Z個(gè)質(zhì)子。原子核所含有的中子數(shù)用 N表示，則原子核的質(zhì)量數(shù) A=Z+N具有一定乙A的原子核稱為核素。下面介紹一些術(shù)語： 同位素(Isotope) : Z同A不同的一些核素； 同中子異荷素(Isotone) : N同Z不同的一些核素； 同量異位素(Isobar) : A同Z不同的一些核素； 同質(zhì)異能素 (Isomer) ： Z.N 相同，而能量狀態(tài)不同的核素。表示為 AmX， 它表示這種核素的能量狀態(tài)比較高。如 60CO有壽命為10.5min的激發(fā)態(tài)。該同 質(zhì)異能素記

6、為60mCo為60Co的同質(zhì)異能素。隨著實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展， 更高性能的中高能重離子加速器、 高能加速器等的投 入使用。 人們發(fā)現(xiàn)核內(nèi)成分除了質(zhì)子、 中子外還存在非核子自由度。 這些非核子 自由度包括介子和夸克。原子核的大小原子核極小，它的直徑在10-15m10-14m之間，體積只占原子體積的幾千億 分之一，在這極小的原子核里卻集中了 99.96%以上原子的質(zhì)量。原子核的密度 極大，核密度約為1017kg/m3,即1m3的體積如裝滿原子核，其質(zhì)量將達(dá)到1014t， 即 1 百萬億噸。原子核是由質(zhì)子和中子組成的。 不同核素的原子核可以用三個(gè)數(shù)來表征， 質(zhì) 量數(shù)A，質(zhì)子數(shù)乙和中子數(shù)N。質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)

7、加中子數(shù)。原子核的大小可以通過阿爾法粒子散射， 高能質(zhì)子散射， 電子， 中子散射等 實(shí)驗(yàn)測(cè)量。 散射實(shí)驗(yàn)表明原子核比原子的尺寸要小得多， 只有飛米 (fm) 量級(jí)。即 比原子的尺寸要小幾萬分之一。隨著 A 的增大，原子核的半徑將越來越大。對(duì)氫原子核來說，其直徑為約1.75fm，對(duì)比較重的原子核，比如鈾，則可達(dá)到 15fm。大小差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 原子核衰變?cè)雍怂プ円步泻怂プ?，是原子核自發(fā)射出某種粒子而變?yōu)榱硪环N核的過程。認(rèn)識(shí)原子核的重要途徑之一。原子核衰變的類型有a衰變、B衰變和丫衰變 三種，分別放出a射線、B射線和丫射線。1 、 a 衰變 放射性核素放射出 a 粒子后變成另一種核素。子核的電

8、荷數(shù)比母核減少 2， 質(zhì)量數(shù)比母核減少4。a粒子的特點(diǎn)是電離能力強(qiáng)，射程短，穿透能力較弱。2、B衰變B衰變又分B -衰變、B +衰變和軌道電子俘獲三種方式。 B -衰變放射出B -粒子(高速電子)的衰變。一般地，中子相對(duì)豐富的放射性核素常 發(fā)生B-衰變。這可看作是母核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子的過程。 B +衰變放射出B +粒子(正電子)的衰變。一般地，中子相對(duì)缺乏的放射性核素常發(fā)生B +衰變。這可看作是母核中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子的過程。 軌道電子俘獲原子核俘獲一個(gè)K層或L層電子而衰變成核電荷數(shù)減少1,質(zhì)量數(shù)不變的另 一種原子核。由于K層最靠近核，所以K俘獲最易發(fā)生。在K俘獲發(fā)生時(shí)，必有

9、外層電子去填補(bǔ)內(nèi)層上的空位，并放射出具有子體特征的標(biāo)識(shí) X射線。這一能量 也可能傳遞給更外層電子， 使它成為自由電子發(fā)射出去， 這個(gè)電子稱作 “俄歇電 子”。3、丫衰變處于激發(fā)態(tài)的核，通過放射出丫射線而躍遷到基態(tài)或較低能態(tài)的現(xiàn)象。丫射 線的穿透力很強(qiáng)。丫射線在醫(yī)學(xué)核物理技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位。 原子核裂變?cè)雍肆炎円步泻肆炎儯?是指由重的原子核 （ 主要是指鈾核或钚核 ）分裂成兩 個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子的一種核反應(yīng)形式。鈾-235 和鈾-238 是兩種主要的鈾同位素，在自然界，主要以鈾 -238 的形式 存在，大概占 99.3%，而鈾 -235 只占 0.7%。盡管鈾 -235 含量很低，

10、但卻是主要 的核燃料。因此，我們?cè)诤穗娎弥?，需要?jīng)過濃縮過程，使氧化鈾的含量處 于 3%6%最, 好處于 5%水平。進(jìn)一步濃縮，就可用于制造原子彈。鈾-235 在一個(gè)中子的轟擊下產(chǎn)生銫 -137 和銣-96 兩個(gè)碎片，也可能產(chǎn)生碘 -131 和釔-102，這個(gè)過程叫做“原子核裂變”，同時(shí)釋放出能量。 1 千克的鈾 -235完全裂變可釋放4.1 X 1011焦耳的能量。除了鈾-235，可用于大規(guī)模核能利用的核素還有钚 -239 和鈾-233，不過， 這兩種皆屬于人造核素，產(chǎn)生于反應(yīng)堆。鈾 -238 在反應(yīng)堆里面經(jīng)過幾次裂變， 會(huì)變成钚 -239。钚-239 可能存在兩種用途：用作核燃料或作為原子彈基本材料。 令人格外擔(dān)心