放射性核素的衰变规律

第三章放射性核素的衰变规律Radioactivedecay目的•熟悉各种衰变的特点•掌握衰变规律与活度计算•了解放射性平衡及放射系内容•α衰变•β衰变•γ衰变•衰变规律•放射性平衡•放射系引言•放射性的发现：贝可勒尔与居里夫妇•放射线的分类及本质•放射性与放射性核素的概念•自发的含义•核衰变的概念与分类•各种放射性核素通过衰变趋向β稳定线•对各类衰变，要求熟悉其含义、方程、对象、能量和纲图HenriBecquerel•1852~1908,France•Frenchphysicistwhodiscoveredradioactivitythroughhisinvestigationsofuraniumandothersubstances.In1903hesharedtheNobelPrizeforPhysicswithPierreandMarieCurieMarieCurie•bornNov.7,1867,Warsaw,Poland,RussianEmpirediedJuly4,1934,nearSallanches,France•Polish-bornFrenchphysicistfamousforherworkonradioactivityandtwiceawinneroftheNobelPrize.WithHenriBecquerelandherhusband,PierreCurie,shewasawardedthe1903NobelPrizeforPhysics.Shewasthensolewinnerofthe1911NobelPrizeforChemistry.ShewasthefirstwomantowinaNobelPrizePierreCurie•bornMay15,1859,Paris,FrancediedApril19,1906,Paris•FrenchphysicalchemistandcowinneroftheNobelPrizeforPhysicsin1903.Heandhiswife,MarieCurie,discoveredradiumandpoloniumintheirinvestigationofradioactivity.放射线的分类及本质放射性(radioactivity)•原子核自发放出α、β、γ等粒子的性质•thespontaneousdisintegrationofatomicnuclei,withtheemissionofusu.penetratingradiationorparticles(Oxford)•propertyexhibitedbycertaintypesofmatterofemittingenergyandsubatomicparticlesspontaneously.Itis,inessence,anattributeofindividualatomicnuclei.(EB)•Note:amajorsourceofheatintheinteriorofboththeEarthandtheMoonisprovidedbyradioactivedecay.(EB)放射性核素(radionuclide)•具有放射性的核素•aradioactivenuclide(Oxford)•aradioactivenuclide(Merriam-Webster)•radioactiveisotope(radioisotope):anyofseveralspeciesofthesamechemicalelementwithdifferentmasseswhosenucleiareunstableanddissipateexcessenergybyspontaneouslyemittingradiationintheformofalpha,beta,andgammarays(EB)（核，放射性）衰变(decay,disintegration)•原子核自发放出α、β、γ等粒子的过程•(ofasubstanceetc.)undergochangebyradioactivity(Oxford)•anyprocessinwhichanucleusemitsaparticleorparticlesordividesintosmallernuclei(Oxford)•原子核自发的结构或能量转变过程α衰变Alphadecayα衰变的定义•放射性原子核自发放出α粒子而变为另一种原子核的过程•typeofradioactivedisintegrationinwhichsomeunstableatomicnucleidissipateexcessenergybyspontaneouslyejectinganalphaparticle•α粒子的实质：高速运动的氦原子核α衰变的方程或：•例：注：衰变过程满足质量数守恒、电荷守恒、能量守恒以及动量守恒αYX4A2ZAZHeYX424A2ZAZαPoRn2188422286α衰变的衰变能和衰变条件•衰变能：•衰变条件：即：只有比较重(A140)的原子核才可能发生α衰变MMMZZ222)(cmmmQZZ22)(cMMMZZα衰变的对象•丰质子的核素α衰变的动能分配•α粒子的动能远大于子核的反冲动能或：衰变能绝大部分被α粒子带走•原子核的基态与激发态•α粒子的能谱是分立的线状谱•短射程α粒子与长射程α粒子讨论和提问（1~3分钟）α衰变的纲图(decayscheme)一个问题•从Ra-226的衰变纲图看，只有α和γ粒子的发射，为何在发自镭源的射线（图3-1）中显示有β粒子的发射？β衰变betadecayβ衰变的定义•β-衰变、β+衰变和电子俘获(EC)的统称•同量异位跃迁(isobarictransition)•anyofthreeprocessesofradioactivedisintegrationbywhichsomeunstableatomicnucleispontaneouslydissipateexcessenergyandundergoachangeofoneunitofpositivechargewithoutanychangeinmassnumber.•Thethreeprocessesareelectronemission,positron(positiveelectron)emission,andelectroncapture.β-衰变(negativebetadecay)•放射性原子核自发放出β-粒子，变为原子序数加1而质量数相同的核素的过程•β-粒子的实质：高速运动的电子β-粒子能谱之谜β-粒子能谱之谜•β-粒子能谱是连续谱•泡利中微子假说•费米弱相互作用理论β-衰变的方程•例：实质：νβTcMo99m439942νβYXA1ZAZνβpnβ-衰变的衰变能和衰变条件•衰变能：•衰变条件：即：当母核的原子质量大于子核的原子质量时才能发生β-衰变1ZZMM21)(cmmmQeZZ21)(cMMZZβ-衰变的对象•丰中子的核素:3H,14Cβ-衰变能的分配•绝大部分衰变能被β-粒子和反中微子带走，子核带走的反冲动能微不足道•β-粒子的最大能量(Em)等于衰变能•β-粒子的平均能量约为衰变能的1/3，而反中微子的平均能量约为衰变能的2/3β-衰变的纲图讨论和提问（1~3分钟）β+衰变•放射性原子核自发放出β+粒子，变为原子序数减1而质量数相同的核素的过程•β+粒子的实质：高速运动的正电子•发生β+衰变的核素基本是人工放射性核素β+衰变的方程•例：实质：νβYXA1ZAZνβnpνβOF188189β+衰变的衰变能和衰变条件•衰变能：•衰变条件：即：只有母核与子核的原子质量之差大于两个电子的静止质量才可能发生β+衰变eZZmMM2121)(cmmmQeZZ21)2(cmMMeZZβ+衰变的对象•丰质子的核素:11C,15Oβ+衰变的能量•β+粒子的能谱与β-粒子的能谱相似β+衰变的纲图β+粒子的命运•正电子湮没(annihilation)当β+粒子的能量耗尽时，旋即与物质中的电子结合而转化为电磁辐射的过程•湮没辐射(annihilationradiation)正电子湮没时产生的电磁辐射：能量均为0.511MeV，反向发射的两个光子讨论和提问（1~3分钟）电子俘获•原子核俘获轨道电子的衰变过程•K俘获原子核俘获K层电子的衰变过程•注：俘获K层电子比俘获其他壳层电子的概率都大电子俘获的方程•例：实质：νYeXA1ZAZνnepνTeeI1255212553电子俘获的条件•即：只有母核与子核的原子质量之差大于壳层电子的结合能（相应的质量）才能发生电子俘获•从能量条件看，能发生β+衰变的，也能发生电子俘获，反之则不尽然21cMMiZZ电子俘获的对象•丰质子的核素电子俘获的能量•子核与中微子的能量都是单一的（杨福家引述王淦昌探测中微子的思想）•7Li的反冲能为56eV（7Be的衰变能等于0.86MeV）νLieBe7K7电子俘获的继发过程•子核的原子伴随特征X射线或俄歇电子的发射•特征X射线或俄歇电子的能量都是单一的•间接证实电子俘获存在的方法或途径：观察原子特征X射线或俄歇电子的发射电子俘获的衰变纲图β衰变小结•β衰变都是同量异位素之间的跃迁•β衰变包括β-衰变、β+衰变和电子俘获(EC)•发生β-衰变的是丰中子的核素，而发生β+衰变和电子俘获(EC)的是丰质子的核素•有些放射性核素能同时发生三种β衰变能同时发生三种β衰变的放射性核素讨论和提问（1~3分钟）γ衰变GammadecayGammadecay•typeofradioactivityinwhichsomeunstableatomicnucleidissipateexcessenergybyaspontaneouselectromagneticprocess•Inthemostcommonformofgammadecay,knownasgammaemission,gammarays(photons,orpacketsofelectromagneticenergy,ofextremelyshortwavelength)areradiated•Gammadecayalsoincludestwootherelectromagneticprocesses,internalconversionandinternalpairproductionγ发射(gammaemission)•放射性原子核自发放出γ粒子的过程•γ粒子的本质：光子，电磁波或电磁辐射γ发射的方程•例：γXXAZ*AZγTcTc994399m43内转换(internalconversion,IC)•激发态原子核将多余的能量直接传给核外电子，使其脱离核的束缚而成为自由电子的过程•被发射的核外电子称为内转换电子•Note:Noneutrinosareinvolvedininternalconversion(NuclearRadiationPhysics)内转换电子的能量•内转换电子的能量是单一的，分立的，不连续的•内转换电子的能谱是线状谱iehE内转换能谱内转换的继发过程•与电子俘获(EC)一样，内转换(IC)也会继发特征X射线或俄歇电子内转换系数•发生γ衰变时，发射内转换电子与γ光子的概率之比（内转换电子数与γ光子数之比）•一般说来，重核低激发态的跃迁，发生内转换的概率较大LKLKeeNNNNNN电子对内转换(internalpairproduction)•激发态原子核直接发射一对正、负电子而回到基态的过程•正、负电子的动能之和•条件：激发能大于1.02MeV02.1EEEee其他放射性•