能发生B-衰变 日衰变是从母体核中发射出一个B+粒子(即正电子e+) 和一个中微子w的过程。 例如:N一>C+e++y+Q (212) e+代表正电子,它的质量与电子质量相等,但它带正电, 与电子构成一对反粒子。 原子核进行+衰变的一般式 2X>2-:Y+:e++y+Q (2.13) 计+衰变可以看成是母体核内一个质子转变为一个中子 而放出什粒子和中微子的过程。这个过程可以写为 p->n+B++ 发生θ衰变的衰变能 Q={M(Z,A)-[M(Z-1,A)+mn]-na+-m,}c2 (2.14) 由于m=mB+,m,≈0所以 M(Z,A)-M(2-1,A)-2mc (2.15) 只有当衰变能Q>0时,才有可能发生衰变,因而得到 衰变的条件是: M(Z, A)-M(Z-1, 4)>2me (2.16) 即母体核素原子质量比子体核素原子质量大于两倍电子质量 时,才有可能发生B+衰变。 电子俘获也是B衰变的一种形式。所谓电子俘获,是原 子核俘获核外某一壳层电子,使核发生跃迁的过程。由子K 壳层离原子核最近,因此俘获K壳层电子的几率最大,并把 这种俘获称为K俘获。例如: ssFe+0,e->55Mn+y+Q (2.17)
核素发生电子俘获的一般式为 AX+ >4-y+y+Q 2.I8) 电子俘获过程同样也可以看作是核内一个质子转变成为 个中子并放出中微子的过程。 p+e—>n+ 9) 在电子俘获过程中,只放出一个中微子,其一般式为 2X+e—>2Y+ (220) 原子核发生电子俘获的条件是衰变能必须大于零。衰变 能等于 Q=CM(Z,A)-M(2-1,A)-E;/c2 (221) 式中,i=K,L,M E;为i层电子结合能。若要Q>0,则 M(Z,A)>LM(2-1,A)+e;/c2] 22) 或 (Z,A-M(Z (2.23) 母核如果发生了K俘获,则K壳层少了一个电子,出现 个空位。这时处于能态较高的电子如L壳层或其它壳层电 子就会跃迁到K壳层填补这个空位,多余的能量以特征Ⅹ射 线形式放出,即 Ey=hvee (2.24) Ex为特征X射线能量,ex、e,分别为K、L壳层电子结 合能。 K俘获产生的子核除通过放出特征X射线将多余能量释 放外,还可能把这个能量交给某一电子,如L层电子或其它 壳层电子,而使这个电子成为自由电子被放出。这个电子称 为俄歇电了,这一过程称为俄歇效应。K俘获所引起的发射 特征X射线(KX射线)和俄歇电子示意图,如图22。俄歌 23
电子的动能 E。=hy-eu (2.25) KX射线 俄歇电子 图22KX射线和俄歇电子的发射 B-衰变过程有三个生成物,即子核、电子和反中微子 (时+衰变则为子核、正电子和中微子)因此衰变能由三个粒 子共同分配。由于子核的质量比电子和中微子的质量大很多, 按照能量守恒和动量守恒原理,衰变能主要由电子和反中微 子带走。电子和反中微子的能量各自都是连续分布的图2.3 给出了RaE发射的B粒子的能谱曲线。 山图2.3中可见B射线的能量是连续分布的,但在曲线 右边终点处有一确定的最大能量Emx动能很大和动能很小 的B粒子数目都比较少,能量为最大能量1/3左右的粒子最 多,故一般取β粒子平均能量 E E (2.25A) 3.同质异能跃迁 图2.1中,中间一束在磁场中不发生偏转的辐射是γ射 线。卩射线是光子流,其波长很短,由于它们不带电,所以在 磁场中不发生偏转。 24
14 Emax 00.!020.3040.50.60.708091.01,!.2 E CMev) 图23RaE发射的粒子能谱曲线 N一在能量间隔E一E+△E内的β粒子数;E一β粒子能量。 射线通常是在原子核进行a衰变或月衰变中伴随发射出 来的。原子核发生a或B衰变时,所产生的子核常常处于较 高的能态—核激发态,而当子核从激发态跃迁到能量较低 的激发态或基态时,就会放出γ射线。原子核激发态存在时 间常常很短(一般约10--10-)因而可以认为y射线与 a、B射线同时放出。但是也有一些核素,其核的激发态寿命 比较长,半衰期可以单独测量出来。放出?射线的原子核其 质量数、电荷数均保持不变,只是能量状态发生了变化,故 又称这种过程为:“同质异能跃汪”。例如天然放射性核 素3-Pa(UX2)通过同质异能跃迁变为3Pa。 自发核跃迁除上述a变、B衰变(包括叶衰变)和同 质异能跃迁外,还有内转换、原子核的自发裂变等。 内转换是指处子激发态的原子核把激发能给予核外电 子,绪果使该电子从壳层发射出来,原子核从激发态国到基 态。内转换过程所发射出来的电子主要是K壳层(也有L壳
层或其它壳层)的电子。若用△E代表核的激发态与基态的 能量差,e代表i壳层电子结合能,则内转换电子能量 En=△E-;i=K,L,M (226) 由于核能级的不连续性,故内转换电子的能量E。是单 的,这一点与β衰变发 射出来的电子有明显区 别。但也有些放射性核素 的内转换电子与B衰变所 发射出来电子混在 起。例如据Cs经θ衰变 到1Ba的激发态,后者可 以放出一个0662MeⅤ的 光子或者通过放出内转 图2.内转换过程 换电子回到Ba的基态。 因此,内转换也是γ跃迁的一种,因为这种跃迁不放出光 子,所以又称这种跃迁为“无辐射跃迁”。内转换过程如图 2.4所示。 图中M层电子由于内转换被发射出去,外层电子填补空 位仍可能发射特征X射线或放出俄歇电子,这与前而讨论电 子俘获的情况相同。 2.3原子核的能级与衰变图 原了核的衰变过程除用前面讨论过的衰变反应式表示 外,还可用衰变图来表示。如2Ra衰变过程,可用图2.5表 图中给出镭-226可有几种衰变途径衰变成子体氡。由于 26