文档介绍：第2章核方法勘查的物理基础
放射性与核衰变
原子是构成自然界各种物质的最基本单位,由原子核及核外轨道电子(又称束缚电子或绕行电子)组成。
原子核带正电荷,束缚电子带负电荷,两者所带的电荷量相等,符号相反,因此原子本身呈中性。原子中束缚电子按一定的轨道绕原子核运动,相应的原子处于一定的能量状态。对一种原子来说,它的绕行电子的数目和运动轨道都是一定的,因此每一个原子只能处于一定的,不连续的一系列稳定状态中。这一系列稳定状态,可用相应的一组能量Wi表征,W称为原子的能级。处于稳定状态的原子,不放出能量。当原子由较高能级W1跃迁到较低的能级W2时,相应的能量变化△W即W1一W2,以发射光子的形式释放出来,此时光子的能量为:
式中,h为普朗克常数,×10-34J·s; v为光子的频率。
将某种原子发射的各种频率的光子按波长排列起来,便构成了该种原子的发射光谱,也就是原子的能谱。
原子核由中子和质子组成,这两种粒子统称核子。原子核内中子和质子数之和称为核子数(又称质量数),以A表示。由于原子核内质子数与核外电子数相同,且等于原子序数Z,所以核内中子数N等于核子数与原子序数之差,即N=A一Z。
具有特定质量数、原子序数和核能态,而且其平均寿命长得足以被观察的一类原子核称为核素。一种核素用符号
来表示。其中X为所属的化学元素符号。
中子和质子在原子核内不停地运动着,运动状态不同,相应的能量状态也不同,原子核的不同能量状态组成原子核的能级。
图2-1 核能级示意图
原子核的最低能量状态叫“基态”,在自然界中,所有稳定核素均处于基态。比基态高的能量状态称为“激发态”,激发态按能量的不同可分为第一激发态,第二激发态等等,示于图2-1。处于激发态的原子核是不稳定的,它往往通过放出光子的形式从激发态回到基态。因核能级变化而放出的光子称为g光子。某种原子核发射的各种能量的g光子的集合,即是该种原子核的g能谱。
核衰变
在原子核内,质子和中子数的比值是有一定规律的。任何含有过多中子或质子的原子核,都是不稳定的。例如,自然界中Z>82的核素都是不稳定的。不稳定核素能自发地发生变化,从一种核素转变成另一种核素,并伴随放出射线,这种现象称为“核衰变”,这些核素称为放射性核素。自然界常见核衰变类型有三种,现简介如下。
a 衰变
母核X放出α射线,形成原子序数减少2、质量数减少4的新核的过程称为α衰变。可以表示为:
图2-2 222Ra的α衰变纲图
同一种放射性核素进行a衰变时放出的a粒子能量是一定的。有的核素衰变时放出单一能量的a粒子,有的核素衰变时放出几种能量不同的a粒子。当a衰变放出几种能量的a粒子时,可伴随放出g射线。例如,,并分别形成处于基态和激发态的氡核
。处于激发态的氡核很快跃迁到基态,,(图2-2)。
α衰变中放出的α射线,实际是以十分之一光速运动的氦核素(4He),由两个质子和两个中子组成,带2个单位正电荷。天然放射性核素放出的a粒子的能量一般为4~9MeV,穿透力很弱,一张普通纸就可以将其挡住,但电离能力强。
b衰变
放射性核素自发地放出b粒子或俘获一个轨道电子而变成另一种核素的过程称为b衰变。b衰变分为b-变,b+衰变,轨道电子俘获等三种类型。
1. b一衰变
放射性核素自发地放出b-粒子而变成另一种核素的过程称为b-衰变。可表示为
式中,为反中微子,是质量十分微小的(为电子质量的l/2000)中性粒子。
b-衰变的实质是母核中的一个中子(n)转变成一个质子(p),即
从原子核中放出的b-粒子实际上就是高速运动着的电子,它的静止质量等于电子的质量,带有一个单位的负的电子电荷。发生b衰变后,母核与子核的质量数相同,但子核的原子序数提高一位。
母核经b一衰变所释放出的能量被子核、b-粒子及反中微子带走。由于三个粒子发射方向所成的角度是任意的,所以它们带走的能量也是不固定的。子核的质量远大于b--粒子及反中微子的质量,所以子核带走的反冲动能可忽略不计。这样,b--衰变放出的能量就在b-粒子与反中微子之间进行分配。实际测到的b-粒子的能谱曲线示于图2-3。从图可看出:①b-粒子的能量是连续分布的,形成一连续谱,②有一个确定的最大能量值E0,一般图表上所给的某一放射性核素的b--粒子能量,均指b--粒子的最大能量值E0;③在能量约为E0 /3处,曲线有一极大值,即在该处
b--粒子的能注量率最大。
的b-衰变纲图示于图2-4。b-衰变后形成的子核常处于激发态,原子核由激发态回到基态时放出g射线,所以b