PDF《《原子物理学》》

1 离核远,作用弱 超精细结构能级分裂 精细结构分裂 A4,原子核磁矩,超精细结构 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu B. 放射性 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 什么放射性? ?不稳定原子核通过发射粒子而蜕变的现象 a、b、g放射性 ?研究历史: 1896:Becquerel研究铀盐的荧光 R?ntgen ? Poincaré? Becquerel 1898~1999:Curie夫人提纯放射性元素,分离 出Po、Ra(又获得1911年Nobel化学奖) ?本质:某些原子核不稳定! ? 衰变 Nobel物理奖 (1903) "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 为何衰变?没人彻底会算! Isomer Transition 地球年龄~4.6 Gy B1,放射性衰变基本规律 指数衰变规律 - dN ? N dt ? - dN = l N dt ? N = N0 exp(-lt) ?衰变常数l = - (dN/dt)/N: 单位时间内一个核发生衰变的几率 半衰期: 核衰变为原数目一般的时间T N0/2 = N0 exp(-lT) ? T = ln2/l 平均寿命: 所有核存在时间的平均值t t N

0 人数的衰减 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu B1,放射性衰变基本规律 放射性活度 A:单位时间内发生衰变核数目 ?单位:1Bq = 1次/秒,1Ci = 3.7x1010Bq,1mCi = 10-3Ci 衰变能: 衰变过程中释放的能量Q (>0) A ? B + C + (D + …): Q = (mA-mB-mC)c2 >

0 ? mA> mB+mC ?若A初始禁止,且mB>>mC (NR近似):"两体单能" ?结论:衰变能大多转化为质量较轻粒子的动能! 三种放射性:a(4He)、b(e-)、g(光子) "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu B2,a衰变 衰变方程: ?衰变能与半衰期的关系: ?衰变机制:Gamow(1928) "势垒贯穿" r V Ea Ea a在原子核 内长期成团 还是 "临时结合"? Gamow: 核的 "液滴模型"! 电磁势 核力势 (在发现中子的1932年之前!) "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu B3,b衰变 衰变方程: ?能谱:连续谱! Q = Emax ?难题: 1,核能级量子化而Eb为何连续? 2,Eb < Emax时能量不守恒? 3,核内无如此低能电子,电子从哪儿来? 能量 Eb 强度Emax 中微子!(1930) ?Pauli假说:Reines & Cowan (1956) ne + p ? n + e+ (Nobel'95) Nobel2002 ? David(太阳)+ 小柴(SN1987A) ?Fermi弱作用理论:类似原子辐射光子,但为一种新相互作用 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu B3,b衰变 各种类型的b衰变: ?b-衰变: ?b+衰变: ?EC过程与Auger电子: EC过程一例: K俘获 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu http://www.auger.org/index.html B4,g衰变( g跃迁) 衰变方程: (同质异能态) ?辐射跃迁:g (Isomer Transition) ?非辐射跃迁:e(IC电子,即内转换电子),或,e± ?一例: 60Co (T = 5.27a) b-, Emax= 0.3MeV (100%)

0 1.33MeV 2.50MeV 60Ni "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu B4,g衰变( g跃迁) M?ssbauer效应:1957年发现,Nobel'61 ?M?ssbauer效应:原子固定于晶格点阵,光子动量被整个晶体 吸收时ER~0.测量精度~G /E0~10-13! (Pound等1960: 引力红移)

0 57Fe 14.4keV T = 9.8?10-8 s G ~ ?/T ~ 6.7?10-9 eV E0=hn =14.4keV 核反冲动能:ER = 高温 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 示踪 原子 射线检测 放射性年代学 B5,放射性应用 例:14C年代学.由于地球次级宇宙线与大气氮核反应不断产生 14C,并且14C又不断衰变, n + 14N ? 14C + p;

14C ? 14N + e- (T =

5730 a). 因此大气中CO2含有较稳定的N(14C)/N(12C)数密度比.活体因新 陈代谢致使体内N(14C)/N(12C)与大气相同.活体死亡后14C数目 衰减.设大气中N(14C)/N(12C) = 10-12;