放射性核素的衰变规律

（核，放射性）衰变(decay, disintegration)
• 原子核自发放出α、β、γ等粒子的过程 • (of a substance etc.) undergo change by radioactivity (Oxford) • any process in which a nucleus emits a particle or particles or divides into smaller nuclei (Oxford) • 原子核自发的结构或能量转变过程
α衰变
Alpha decay
α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 • type of radioactive disintegration in which some unstable atomic nuclei dissipate excess energy by spontaneously ejecting an alpha particle
β- 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
A Z
• 例： 实质：
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X Y β ν
A Z1
18 8 18 9
( M Z M Z 2 M ) c
• 衰变条件：
2
M Z M Z 2 M
即：只有比较重(A>140)的原子核才可能发 生α衰变
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
β+ 衰变的对象
• 丰质子的核素: 11C, 15O
β+ 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(annihilation radiation) 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
Pierre Curie
• born May 15, 1859, Paris, France died April 19, 1906, Paris • French physical chemist and cowinner of the Nobel Prize for Physics in 1903. He and his wife, Marie Curie, discovered radium and polonium in their investigation of radioactivity.
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
A Z
Xe Y ν
A Z1

• 例： 实质：
125 53
Ie

125 52
Te ν
pen ν
电子俘获的条件

F Oβ ν


p n β ν
β+ 衰变的衰变能和衰变条件
• 衰变能： Q (mZ mZ 1 me ) c 2
(M Z M Z 1 2 me ) c
• 衰变条件：
2
M Z M Z 1 2 me
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
• α粒子的实质：高速运动的氦原子核
α衰变的方程
A Z
X
A4 Z2
Yα
4 2
或： • 例：
A Z
X
A4 Z 2
Y He
218 84
222 86
Rn
Po α
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
α衰变的衰变能和衰变条件
• 衰变能： Q (mZ mZ 2 m ) c 2
放射性核素(radionuclide)
• • • • 具有放射性的核素 a radioactive nuclide (Oxford) a radioactive nuclide (Merriam-Webster) radioactive isotope (radioisotope): any of several species of the same chemical element with different masses whose nuclei are unstable and dissipate excess energy by spontaneously emitting radiation in the form of alpha, beta, and gamma rays (EB)
第三章 放射性核素的衰变规律
Radioactive decay
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
7
Be e Li ν
7
K
• 7Li的反冲能为56eV（7Be的衰变能等于 0.86MeV）
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
Marie Curie
• born Nov. 7, 1867, Warsaw, Poland, Russian Empire died July 4, 1934, near Sallanches, France • Polish-born French physicist famous for her work on radioactivity and twice a winner of the Nobel Prize. With Henri Becquerel and her husband, Pierre Curie, she was awarded the 1903 Nobel Prize for Physics. She was then sole winner of the 1911 Nobel Prize for Chemistry. She was the first woman to win a Nobel Prize
Gamma decay
• type of radioactivity in which some unstable atomic nuclei dissipate excess energy by a spontaneous electromagnetic process • In the most common form of gamma decay, known as gamma emission, gamma rays (photons, or packets of electromagnetic energy, of extremely short wavelength) are radiated • Gamma decay also includes two other electromagnetic processes, internal conversion and internal pair production
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 • the spontaneous disintegration of atomic nuclei, with the emission of usu. penetrating radiation or particles (Oxford) • property exhibited by certain types of matter of emitting energy and subatomic particles spontaneously. It is, in essence, an attribute of individual atomic nuclei. (EB) • Note: a major source of heat in the interior of both the Earth and the Moon is provided by radioactive decay. (EB)
• 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(decay scheme)
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
beta decay
β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(isobaric transition) • any of three processes of radioactive disintegration by which some unstable atomic nuclei spontaneously dissipate excess energy and undergo a change of one unit of positive charge without any change in mass number. • The three processes are electron emission, positron (positive electron) emission, and electron capture.
M Z M Z 1
i
c
2
• 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
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）
β- 衰变(negative beta decay)
• 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
A Z
X Y β ν
A Z1

• 例： 实质：
99 42
Mo
99m 43
Tc β ν


n p β ν
β- 衰变的衰变能和衰变条件
• 衰变能： Q (mZ mZ 1 me ) c
2
(M Z M Z 1 ) c
• 衰变条件：
2
M Z M Z 1
Henri Becquerel
• 1852~1908, France • French physicist who discovered radioactivity through his investigations of uranium and other substances. In 1903 he shared the Nobel Prize for Physics with Pierre and Marie Curie
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
Gamma decay
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
β- 衰变的对象
• 丰中子的核素: 3H, 14C
β- 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2/3