放射性衰变及衰变方程式

Chapter3 Unstable nuclei and Radioactive decay 第三章 放射性衰变及衰变方程式,杨金玲,Radioactive decay is a spontaneous nuclear transformation that has been shown to be unaffected by pressure, temperature, chemical form, etc (except a few very special cases). This insensitivity to extranuclear conditions allows us to characterize radioactive nuclei by their decay period and their mode and energy of decay without regard to their physical or chemical condition.,The time dependence of radioactive decay is expressed in terms of the half-life (t1/2 ), which is the time required for one-half of the radioactive atoms in a sample to undergo decay. In practice this is the time for the measured radioactive intensity (or simply, radioactivity of a sample) to decrease to one-half of its previous value Half-lives vary from millions of years to fractions of seconds. While half-lives between a minute and a year are easily determined with fairly simple laboratory techniques 10-18s, 1015y,Radioactive decay involves a transition from a definite quantum state of the original nuclide to a definite quantum state of the product nuclide. The energy difference between the two quantum levels involved in the transition corresponds to the decay energy. This decay energy appears in the form of electromagnetic radiation and as the kinetic energy of the products, see Element and Nuclide Index for decay energies.,地球上存在的各种同位素中，天然存在的约500多种。其中，稳定的约200种，放射性的有300多种。加上人工合成的同位素，大约共有有3100多种，其中绝大部分是放射性同位素。 稳定同位素是指核结构不会自发的发生改变的核素；放射性同位素是不稳定核素，它们能通过自发的发射出各种射线，转变成另外一种核素。 衰变产生的子体核素可能是稳定的，也可能是放射性的。如果衰变后生成的子核是放射性的核素，它们还要继续发生衰变，直到最终变成稳定的核素为止。,对稳定的核素标绘出中子数N与质子数Z的关系，就会发现对于轻元素(A40, Z20 的元素，稳定核中的中子、质子数比从1逐步增加到铋(83)元素的N/Z=1.518。对于原子序数Z83的元素，都是放射性衰变核素。 稳定核的N/Z比随着原子质量数A的增加而增加。原子核中，中子不带电，质子带正电，原子核中的质子都要受到一种库仑斥力。随着原子序数Z的增加，原子核中每个质子所受的库仑斥力随之而增加。要继续保持稳定性就只能使N/Z比增大。,人们把稳定核的中子/质子数比进行标绘，得到通常称之为稳定线的图，如右面的图所示。纵坐标是中子数N，横坐标是质子数Z。 位于稳定线左上方的核素是丰中子核，它们的N/Z要比稳定核素要求的N/Z大；,位于稳定线右下方的核是缺中子核，也叫丰质子核，它们的N/Z要比稳定核素要求的N/Z小 。 稳定核中： 偶偶核占了约60； 剩下的40中： 偶奇核和奇偶核几乎各占一半； 奇奇核很少，只有6种： 质子数和中子数都是偶数的核最稳定。因为相同核子成对时最稳定 稳定核中偶奇核和奇偶核数目大致相等，说明质子成对和中子成对时原子核提供了大致相同的稳定性。,放射性衰变通常由下式描述： 能量是以放出的粒子或量子的动能形式出现的。在放射性衰变时释放的能量称作Q值，它是由衰变前后处于基态的核的质量差得出。,The mode of radioactive decay is dependent upon the particular nuclide involved. The radioactive decay can be characterized by -，-，and-radiation.,Alpha-decay（衰变） is the emission of helium nuclei. Beta-decay （衰变）is the creation and emission of either electrons or positrons, or the process of electron capture. Gamma-decay（跃迁） is the emission of electromagnetic radiation where the transition occurs between energy levels of the same nucleus. An additional mode of radioactive decay is that of internal conversion in which a nucleus loses its energy by interaction of the nuclear field with that of the orbital electrons, causing ionization of an electron instead of -ray emission. A mode of radioactive decay which is observed only in the heaviest nuclei is that of spontaneous fission（自发裂变） in which the nucleus dissociates spontaneously into two roughly equal parts.,原子核的诱发裂变需要外来粒子的轰击，将其能量传递给靶核。靶核吸收了外来粒子的能量，处于激发态，变成不稳定的核，通过发生裂变，变成两个中等质量的碎片。 重核的自发裂变和诱发裂变不同。自发裂变是原子核在没有外来粒子轰击的情况下，自发地发生的裂变。 衰变和自发裂变是重核衰变的两种不同的方式。它们两者之间有竞争。,252Cf：一种重要的中子源。 自发裂变是它重要的衰变方式之一，其分支比为3.09； 每次裂变平均发射3.7个中子； 衰变的几率为96.91%。 铀、钍：它们发生自发裂变的几率就很小，和衰变相比，自发裂变的几率可以忽略不计。 238U: 衰变 99%;自发裂变只占4.5510-5； 232Th:衰变几乎占100%;自发裂变10-9。 铀和钍只有在外来粒子的轰击下才能发生裂变。 这种裂变叫诱发裂变。,Alpha decay,Alpha decay is observed for the elements heavier than lead and for a few nuclei as light as the lanthanide elements. It can be written symbolically as We use X to indicate any element defined by its nuclear charge（核电荷）, Z and Z-2 in this equation.,衰变: 衰变是原子核自发地放射出一个粒子。 粒子是一个氦原子核，由两个质子和两个中子组成，带有两个正电荷。 衰变之后，子体核的质量数要减少4个单位，原子序数要减少2个单位。 如果用X代表衰变前的母体核，用Y代表衰变后的子体核，则衰变用一般的表达式可以写成： 能够产生衰变的核素一定是母体核的质量要大于子体核质量和氦原子质量的总和，即：,举例： 衰变 T1/24.5109a； T1/21600a；,母体其核子数减少4; 核电荷数减少2。,原子核可以处于不同的分立的能级状态。能量最低的称之为基态，高于基态的所有能级统称为激发态。 处于激发态的原子核是不稳定的，一般都要通过发射射线而退激到基态，或者是先退激到低能量的激发态，然后再退激到基态。 衰变时，母核发射出粒子后，可能直接到达子体核的基态，也可能先到达子核的激发态，然后再通过发射射线，从子核的激发态退激到其基态。 当母核衰变到子核的基态时，发射出来的粒子能量要比母核衰变到子核的激发态时，发射出来的粒子能量高一些。衰变到子核的激发态能级能量越高，粒子的能量就越低。,能量较低的粒子叫做短射程的粒子，它们是从母核的基态衰变到子核的激发态时所发射出来的粒子。 如果母核本身是其它核反应的产物，也可能处于激发态。从母核的激发态发射的粒子能量要比从母核基态发射的粒子的能量大一些。母核激发态的能量越高，发射的粒子的能量就越大。从母核的激发态发射出来的粒子通常称之为长射程的粒子。 一般来说，从激发态退激到基态，发射射线的几率要比它直接发射射线衰变到子核的几率大的多，差好几个数量级。因此，一般很难看到直接从母体核激发态发射的衰变，仅仅对几种少数原子核，从激发态发射粒子的衰变占有一定的分支比。,衰变能用Q：,衰变能是衰变前后诸粒子的静止质量之差所对应的能量。 衰变能以粒子和衰变子核动能的形式放出。 粒子的动能为： 子体核的反冲能为：,能谱的特点： 如果母核发射出粒子后，直接衰变到子核的基态，那么这种粒子的能量就是单一的；有的母核发射出粒子后没有直接衰变到子核的基态，而是衰变到子核的其它激发态，然后分别又通过发射射线，最后退激到了子核的基态。这样的放射性同位素发射的粒子具有不同的能量，它们的 能谱呈带状谱。,在较轻偶偶核（A240）的情况下，衰变大多数直接到子体核的基态，而在其它类型的核衰变时，常常到子体核的激发态。 放射性衰变放出的粒子的能量在1.83MeV（114Nd）和11.7MeV（210Pom）之间，半衰期在10-6s和1010a之间。,Beta decay,The radioactive decay processes which are designated by the general name of -decay include electron emission (-or ，-衰变), positron emission (+ or ， + 衰变) and electron capture (EC，轨道电子俘获). 另外，还有2种