放射性的發(fā)現(xiàn)衰變及其統(tǒng)計規(guī)律一課件

1、第一頁，共七十九頁。第二頁，共七十九頁。即即Q=ZeNm 2nenEmZmc1/30Rr A01.2rfm第三頁，共七十九頁。核素符號核素符號AZNX比如比如422He1477N等。等。 91012666,CCC同中子素：同中子素：141516687888,CNC404040181920,ArKCa鏡核：鏡核：331111131314151221566567767887(,),(,),(,),(,)HHeBCCNNO同位素：同位素：同量異位素：同量異位素：第四頁，共七十九頁。 在物理學中，對有一定在物理學中，對有一定(ydng)關(guān)系的核素，有些常用的術(shù)語如關(guān)系的核素，有些常用的術(shù)語如下：下：9

2、1012666,CCC同中子同中子(zhngz)素：素：141516687888,CNO404040181920,ArKCa鏡核：鏡核：331111131315151221566567767887(,),(,),(,),(,)HHeBCCNNO同位素：同位素：同量異位同量異位(y wi)素：素：第五頁，共七十九頁。2mcEEEA第六頁，共七十九頁。第七頁，共七十九頁。第八頁，共七十九頁。0tttdt 0NNNdN第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第九頁，共七十九頁。0NNdNNttdt dN() dNdtdNNdtdNdtN() dNdt0()tdtN dNNdt0tN e第四節(jié)

3、：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第十頁，共七十九頁。02NN120012TNN e12T0tNN e122lnT13129.961minNT9238124.510UyT9235120.710UyT12T12T12T第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第十一頁，共七十九頁。0tdNN edt 0000011()NttN edttedtN1 211.44T100037%tNN eN eN00001122012001NiiNiNiidNdNtdNt dNdNdNdNdNNdN第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計(tngj)規(guī)規(guī)律律第十二頁，共七十九頁。AdNdt0tN e0

4、teAN第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第十三頁，共七十九頁。AN103.710CiBq定義：定義： 第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第十四頁，共七十九頁。AAm A60Co1200Ci7 0 0C ig60Co60Co1200Ci第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第十五頁，共七十九頁。AAm02AA12T12T12T12T第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律12T第十六頁，共七十九頁。0.693 94.510yAN238UAN12T238U1814.8710 S第十七頁，共七十九頁。301210T120.693T1300.693365

5、 24 360010s30 24 3600N A10365 24 3600130 24 36000.6931030173.3210個第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第十八頁，共七十九頁。302418 17.32 106.02 10 m 51.78 噸第四節(jié)：衰變第四節(jié)：衰變(shuibin)及其統(tǒng)計及其統(tǒng)計規(guī)律規(guī)律第十九頁，共七十九頁。4422AAZZXYHe4021AAZZXYe衰變011AAZZXYe衰變XBCF 第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第二十頁，共七十九頁。 該系從該系從（釷）開始（釷）開始(kish)(kish)經(jīng)經(jīng)6 6次次 衰變衰變，4 4次

6、次衰變衰變(shuibin)(shuibin)成成 ( (鉛鉛) ;) ;232Th208Pb 該系從該系從 ( (镎镎) )開始開始(kish)(kish)經(jīng)經(jīng)7 7次次 ，4 4次次 衰變成衰變成 （硼）（硼）; ; 該系從該系從 ( (鈾鈾) )開始經(jīng)開始經(jīng)8 8次次 ，6 6次次 衰衰 變成變成 （鉛）；（鉛）；209Bi237Np238U206Pb（2）镎系（）镎系（A=4n+1系）系）（1）釷系（）釷系（A=4n系）系）（3）鈾系（）鈾系（A=4n+2系）系）第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第二十一頁，共七十九頁。207Pb235U第二十二頁，共七十九頁。0tNeN

7、AB0tAANN eBA0tBBNNeAAAAAdNNNdt BBBdNNdtBAABBdNNNdt第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第二十三頁，共七十九頁。的一階非齊次的一階非齊次線性方程線性方程(xin xn fn chn).上式中上式中我們我們(w men)(w men)設(shè)上式的特解設(shè)上式的特解為為0tAANN eAtBNCe0()AABtttAAABCeeNCe0AABACN0AAAtBBANNe該方程該方程(fngchng)是關(guān)于是關(guān)于BN代入得代入得即特解為：即特解為：第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律根據(jù)微分方程理論，它的通解可看成方程的一個特解和相應

8、根據(jù)微分方程理論，它的通解可看成方程的一個特解和相應齊次方程的通解的迭加。齊次方程的通解的迭加。第二十四頁，共七十九頁。BAABBdNNNdt0BBBdNNdtBtBNC e0BBAAttBBANNeC e00BtN0AABANC0()ABAAttBBANNee0AAAtBBANNe,BABA第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第二十五頁，共七十九頁。dNpNdtdNNpdt第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第二十六頁，共七十九頁。tpNC eNCcppctNC e00tN(1)tpNe1 2(1)(1 2)tTtANpep1 2tT1 20.5;5AtTp0.97A

9、p1 25tT第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第四節(jié)：衰變及其統(tǒng)計規(guī)律第二十七頁，共七十九頁。第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變(shuibin)(shuibin)2()xyEmmmc0Exymmm第二十八頁，共七十九頁。(2)2xXeyYeHeemMZmmMZmmMm22()()xyXYHeEmmmcMMMcXYHeMMM第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第二十九頁，共七十九頁。B 2m vBqv2211()22Em vBqmvE2.2.衰變能的測量衰變能的測量第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第三十頁，共七十九頁。222218488862RaRnHe14.612EMeV24.793EMeV第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第三十

10、一頁，共七十九頁。E212208483812BiTiHe6.084;6.044;5.763;5.621;5.480iEMeV2EMC 0EEEE子核激發(fā)能子核激發(fā)能第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第三十二頁，共七十九頁。EE0EEE0EE0Em vm v221122mmEmvmvEmm 0441144mmEEEEEEEEmmAA第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第三十三頁，共七十九頁。E226222488862RaRnHe124.612;4.793EMeV EMeV0E第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第三十四頁，共七十九頁。2E0220226(1)4.7934.879()42264mAEEEEMeVmA 0114

11、.695()4AEEMeVA0.184MeV0 1( )0.184EEMeV 第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變第三十五頁，共七十九頁。第五節(jié)：第五節(jié)： 衰變衰變(shuibin)(shuibin)第三十六頁，共七十九頁。2evmeBvem veB第三十七頁，共七十九頁。EE2eEEm c22422eEm cc p242222422()eeeeEm cc pm cm cBepcm cEEmE第三十八頁，共七十九頁。E第三十九頁，共七十九頁。第四十頁，共七十九頁。2第四十一頁，共七十九頁。第四十二頁，共七十九頁。,K和010101:() :eeenpepneKc a p tu r epen第四十三頁，共

12、七十九頁。011AAZZeXev201xeyeeEMZmMZmmc2xyMM c00E xyMMxMyM第四十四頁，共七十九頁。011AAZZeXYev201xeyeeEMZmMzmmc22xyeMMmc00E 2xyeMMm011AAZiZiXeYvW 01 ieiW2iWxycMM第四十五頁，共七十九頁。同衰變一樣，衰變也可以用衰變綱圖表示，習慣上用同衰變一樣，衰變也可以用衰變綱圖表示，習慣上用(shn yn)兩條橫線分別表示母體和子體的原子核基態(tài)兩兩條橫線分別表示母體和子體的原子核基態(tài)兩線之間的距離相當于母體和子體的能量差，從母體能級向下線之間的距離相當于母體和子體的能量差，從母體能級向

13、下畫一箭頭線至子體能級表示衰變；向左下則表示電子俘獲；畫一箭頭線至子體能級表示衰變；向左下則表示電子俘獲； 而衰變則因為母體原子質(zhì)量至少應比子體原子質(zhì)量大而衰變則因為母體原子質(zhì)量至少應比子體原子質(zhì)量大 時才有可能，故習慣上先從母體能級垂直向下畫一線段，時才有可能，故習慣上先從母體能級垂直向下畫一線段，再折向左邊畫一箭頭表示衰變再折向左邊畫一箭頭表示衰變我們可以我們可以(ky)求得發(fā)生求得發(fā)生EC的條件是的條件是2em22em c2ixyWMMc通常通常K俘獲發(fā)生俘獲發(fā)生(fshng)的幾率最大的幾率最大.衰變綱圖衰變綱圖第四十六頁，共七十九頁。三種三種(sn zhn)衰變的綱圖如圖所示衰變的綱

14、圖如圖所示第四十七頁，共七十九頁。第四十八頁，共七十九頁。01Pvne第四十九頁，共七十九頁。第五十頁，共七十九頁。第五十一頁，共七十九頁。第五十二頁，共七十九頁。eiEEW第五十三頁，共七十九頁。第五十四頁，共七十九頁。0RREEEhE1pmvhc效應效應(xioyng)：能量守恒：能量守恒：動量動量(dngling)守恒：守恒：其中對光子有其中對光子有22 22200,0Em cc p mEcph2221()22RhhpEmvcmc所以有所以有故有故有第五十五頁，共七十九頁。RE 第五十六頁，共七十九頁?？梢姡瑢嶋H可見，實際(shj)發(fā)射線發(fā)射線 與要求的吸收線相差與要求的吸收線相差 ，吸

15、收吸收(xshu)光光子子:發(fā)射發(fā)射(fsh)(fsh)光光子子: :0eREEE02RReREEEEEeE2RERE RE 若若 ，則可以發(fā)生共振；，則可以發(fā)生共振；當當 時，不可能發(fā)生共振吸收。時，不可能發(fā)生共振吸收。第五十七頁，共七十九頁。1958年，德國物理學家年，德國物理學家(w l xu ji) Mossbauer發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)： 如果將放射性核素固定在晶體如果將放射性核素固定在晶體(jngt)中，遭反沖的就中，遭反沖的就不是單個原子核，而是整塊晶體不是單個原子核，而是整塊晶體(jngt)。此時此時(c sh)由于由于m很大，所以很大，所以 ；這時上述核共振吸收就可；這時上述核共振吸收

16、就可以發(fā)生，此稱以發(fā)生，此稱Mossbauer效應。效應。0RE 第五十八頁，共七十九頁。(,)v Mossbauer效應在物理、化學、生物學、地質(zhì)學、冶金學等方效應在物理、化學、生物學、地質(zhì)學、冶金學等方面都得到了廣泛的應用。面都得到了廣泛的應用。第五十九頁，共七十九頁。 人類第一次發(fā)現(xiàn)核反應是在人類第一次發(fā)現(xiàn)核反應是在1919年由年由Rutherford觀察到的。他在研究觀察到的。他在研究214Po (釙）發(fā)射的釙）發(fā)射的粒子時發(fā)現(xiàn)，出粒子時發(fā)現(xiàn)，出射的射的粒子射程都在粒子射程都在7cm左右。但有的左右。但有的粒子射程竟達粒子射程竟達40cm,這遠遠超出了這遠遠超出了粒子衰變能所能前進的距

17、離粒子衰變能所能前進的距離(jl)。經(jīng)過認真。經(jīng)過認真分析，分析，Rutherford認為認為, 長射程的不是長射程的不是粒子而是質(zhì)子，粒子而是質(zhì)子，他認為他認為粒子同空氣中的氮發(fā)生了核轉(zhuǎn)變過程：粒子同空氣中的氮發(fā)生了核轉(zhuǎn)變過程： 第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應17171781NOH這是人類這是人類(rnli)(rnli)發(fā)現(xiàn)的第一個核反應發(fā)現(xiàn)的第一個核反應. .第六十頁，共七十九頁。73PLi 同年在實驗中發(fā)現(xiàn)了中子。從同年在實驗中發(fā)現(xiàn)了中子。從19341934年起，開始了用年起，開始了用中子照射包括鈾在內(nèi)的許多元素中子照射包括鈾在內(nèi)的許多元素(yun s)(yun s)，并發(fā)現(xiàn)了核裂變。，

18、并發(fā)現(xiàn)了核裂變。此后，關(guān)于核反應的研究迅速發(fā)展起來。此后，關(guān)于核反應的研究迅速發(fā)展起來。 1931年，世界上第一臺荷電粒子加速器投入運行，年，世界上第一臺荷電粒子加速器投入運行，1932年，年，實現(xiàn)了人工加速實現(xiàn)了人工加速(ji s)質(zhì)子轟質(zhì)子轟擊擊7 7LiLi的反應：的反應：第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應第六十一頁，共七十九頁。iTlR ( , )T i l R第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應第六十二頁，共七十九頁。（1）電荷）電荷(dinh)(dinh)數(shù)守恒數(shù)守恒iTlRZZZZiTlREEEE，式中，式中2kEEmc（4）動量）動量(dngling)(dngling)守恒守恒iTlRP

19、PPP（3）總能量守恒（總質(zhì)量）總能量守恒（總質(zhì)量(zhling)并不守并不守恒）恒）6）宇稱守恒）宇稱守恒第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應2.核反應遵從的守恒定律核反應遵從的守恒定律（2）質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）守恒）質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）守恒（5）角動量守恒）角動量守恒第六十三頁，共七十九頁。,iTlRM M M M和和,iTlRKKKK則總能量守恒得則總能量守恒得2222() () () ()iiTTllRRK McKMcK McKMc22()()iTlRQMMMMcMc ()()lRiTKKKKK 即即Q Q可以可以(ky)(ky)用兩種方法求得用兩種方法求得1),2).反應前 后粒子總質(zhì)量之差反應后

20、前粒子動能差 設(shè)設(shè)I,T,l,R 的靜質(zhì)量和動能的靜質(zhì)量和動能(dngnng)分別分別為為定義定義(dngy)反應能反應能為為（1）（2）第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應三、三、Q方程方程1 1、核反應能的定義及吸、放能反應、核反應能的定義及吸、放能反應第六十四頁，共七十九頁。2pnBmZmNmc()()lRiTQBBBB0TE lRiQKKK第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應第六十五頁，共七十九頁。ilRPPP2222cosRililPPPPP22pMxcosRRllililM kM kM M K KRK2(1)(1)cosililliliRRRM M K KMMQKKMMM第八節(jié)第八節(jié): :核反

21、應核反應第六十六頁，共七十九頁。OpN214),(MeVQ19. 1MeVKi19. 1第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應第六十七頁，共七十九頁。iK2lKuuw(cos ,iliRiRilRlRM M KM QK MMuwMMMMlK20uw第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應第六十八頁，共七十九頁。0Q 0w20uw0Q 0wiK20uwiK20uw()cos0iliRiRilRlRM M KM QK MMMMMMiKmin()lRiRliMMKKQMMM 閾第八節(jié)第八節(jié): :核反應核反應第六十九頁，共七十九頁。第九節(jié)第九節(jié): :原子能的利用原子能的利用(lyng)(lyng)CnBe12694),

22、(中子中子發(fā)現(xiàn)后，費米等人首先開始發(fā)現(xiàn)后，費米等人首先開始(kish)(kish)用中子照射包括用中子照射包括U U在在內(nèi)的各種元素，內(nèi)的各種元素，19381938年，年， 哈恩發(fā)現(xiàn)哈恩發(fā)現(xiàn)U U被撞擊后，有鋇被撞擊后，有鋇)(13756Ba產(chǎn)生產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)；與此同時，居里等人；與此同時，居里等人)(13957La產(chǎn)生，不久他們產(chǎn)生，不久他們又從實驗中又從實驗中1932年，在核反應年，在核反應中發(fā)現(xiàn)了中子，中發(fā)現(xiàn)了中子，發(fā)現(xiàn)：中子發(fā)現(xiàn)：中子找到了另一種較輕的物質(zhì)（找到了另一種較輕的物質(zhì)（A=101）兩者質(zhì)量數(shù)）兩者質(zhì)量數(shù)之和剛好等于之和剛好等于U的質(zhì)量數(shù)的質(zhì)量數(shù).一

23、、一、原子核的裂變原子核的裂變1. .裂變的發(fā)現(xiàn)裂變的發(fā)現(xiàn)照射過的照射過的U有鑭有鑭第七十頁，共七十九頁。235U123523609292AAnUXY 236UYX,A A,AAXY第九節(jié)第九節(jié): :原子能的利用原子能的利用第七十一頁，共七十九頁。123523613797109292524002nUTeZrn1371379797565640420,TeBaZrM12351379710092564200126nUBaMne22235.043915 136.905500 96.90621 1.008665208QMccMeV第九節(jié)第九節(jié): :原子能的利用原子能的利用第七十二頁，共七十九頁。1 1.

24、 .重核的穩(wěn)定性重核的穩(wěn)定性- -自發(fā)自發(fā)(zf)(zf)裂變裂變的幾率極小前面的討論中，我們的幾率極小前面的討論中，我們已經(jīng)知道，已經(jīng)知道， 核的總結(jié)合能可以核的總結(jié)合能可以表示為：表示為：vscsymB B B B BB U 如果原子核是穩(wěn)定的，那么如果原子核是穩(wěn)定的，那么(n me)(n me)它處于球形時的勢能應它處于球形時的勢能應小于它處于橢球形時的勢能。設(shè)原子核在球形和橢球形小于它處于橢球形時的勢能。設(shè)原子核在球形和橢球形時相應的勢能分別表為：時相應的勢能分別表為： 和和 ；spUelU因此，因此，核是否核是否(sh fu)(sh fu)穩(wěn)定，關(guān)鍵是比較穩(wěn)定，關(guān)鍵是比較 和和 大小

25、。大小。elUspU第九節(jié)第九節(jié): :原子能的利用原子能的利用二、二、裂變的理論機制裂變的理論機制第七十三頁，共七十九頁。任何任何(rnh)(rnh)自發(fā)過程總是朝著勢能減小的方向進行。因此，自發(fā)過程總是朝著勢能減小的方向進行。因此，若若 ，則原子核就會發(fā)生形變，則原子核就會發(fā)生形變. .spelUU可見可見(kjin)(kjin)研究核的穩(wěn)定性就是比較研究核的穩(wěn)定性就是比較spelUU，由式由式vscsympBBBBBBU的勢能的勢能U U是由是由B B決定決定(judng)(judng)的，當核發(fā)生形變時，的，當核發(fā)生形變時，,vsympB BB都會不變，只有都會不變，只有,scB B發(fā)生

26、變化。發(fā)生變化。elspscscelspUUBBBB在核發(fā)生形變時，在核發(fā)生形變時，,scBB，經(jīng)計算知，經(jīng)計算知elspUU可見重核是穩(wěn)定的，不會自發(fā)裂變，只有在某種激發(fā)下可見重核是穩(wěn)定的，不會自發(fā)裂變，只有在某種激發(fā)下才會發(fā)生裂變才會發(fā)生裂變 的大小關(guān)系。的大小關(guān)系。第九節(jié)第九節(jié): :原子能的利用原子能的利用可見，某一狀態(tài)下可見，某一狀態(tài)下第七十四頁，共七十九頁。 由由 知，外界提供的能量知，外界提供的能量(nngling)(nngling)，至少要使，至少要使原原子核的勢子核的勢能從能從elspUUspU增加增加(zngji)(zngji)到到elU；定義；定義(dngy)(dngy)激

27、活能為激活能為felspWUU則發(fā)生裂變的條件是：則發(fā)生裂變的條件是：235U的激活能很好，熱中子就的激活能很好，熱中子就235U裂變，而裂變，而238U的激活能比較大，中的激活能比較大，中子的子的 我們知道裂變不能自發(fā)發(fā)生，那么外界必須提供多大的能我們知道裂變不能自發(fā)發(fā)生，那么外界必須提供多大的能量才能發(fā)生裂變呢？量才能發(fā)生裂變呢？激發(fā)能大于激活能。激發(fā)能大于激活能。理論和實驗都表明，理論和實驗都表明，足以使足以使能量到少大于能量到少大于1MeV，裂變才有可能發(fā)生，裂變才有可能發(fā)生 。第九節(jié)第九節(jié): :原子能的利用原子能的利用2激活能激活能第七十五頁，共七十九頁。 一個中子引發(fā)一個中子引發(fā)(yn f)235U發(fā)生裂變時，可放出發(fā)生裂變時，可放出2-3個中個中子，這些中子再產(chǎn)生下一代中子子，這些中子再產(chǎn)生下一代中子.以此類推，使反應逐漸增以此類推，使反應逐漸增強成為爆炸性的，此稱鏈式反應。強成為爆炸性的，此稱鏈式反應。 為了使鏈式反應得以維持為了使鏈式反應得以維持(wich)，我們要求，每次