江门一中研究性学习报告

1. 江门一中研究性学习报告 作者：黄德深 研究原子核衰变和所造成的辐射分几种

2. 前言 • 我们通过研究原子核衰变的种类和原因，增加对原子核的认识，增强对物理及化学的兴趣，增强自己动手思考独立思考的能力，增强搜索资料的能力和学科方面的竞争力 研究背景 某日做题做到一题关于此类的题目 研究的目的和方法 探究原子核内部结构，揭开原子核内部神秘的面纱；方法：上网搜寻，翻阅化学及物理字典核辅导书

3. 查阅资料得:核衰变分1α衰变2β衰变 3伽马射线这几大类 • 1α衰变 • α衰变，又名阿尔法衰变，是一种放射性衰变（核衰变）；发生α衰变时，一颗α粒子会从原子核中射出（附注：α粒子即是氦4核，He2+，即一颗由2颗质子和2颗中子组成的原子核，又名阿尔法粒子）； α衰变发生后，原子核的质量数会减少4个单位，其原子序也会减少了2个单位。 • 下面之反应式式(I)是α衰变的一个例子： • 式(I)也可写成式(II)： • α衰变是一种核裂变，当中涉及量子物理学中的穿遂效应，和β衰变不同的是α衰变是由强核力力场产生和控制。 • 一颗α粒子带有5电子伏特的动能(约等于一颗α粒子的总能量的0.13%)，其移动速度是15,000公里每秒，即是只达到5%光速（光速是1,079,252,848.8公里每小时）；由于α粒子相对大的质量，其+2的电荷，以及相对慢的移动速度，它们实在太容易就会和其他原子核和粒子反应及失去其能量，α粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸收。 • 地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏的矿物，如铀和钍的α衰变产生的。

4. 2 β衰变 β衰变是放射性原子核放射电子（β粒子）和中微子而转变为另一种核的过程。 Beta-minus (β-) 衰变. 1896年，贝克勒尔（A. H. Becquerel）发现铀的放射性；1897年，卢瑟福（E. Rutherford）和汤姆逊（J. J. Thomson）通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现铀的放射线有带正电，带负电和不带电三种，分别被称为α射线，β射线和γ射线，相应的发出β射线衰变过程也就被命名为β衰变。 放出正电子的称为“正β衰变”，放出电子的称为“负β衰变”。在正β衰变中，核内的一个质子转变成中子，同时释放一个正电子和一个中微子；在负β衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反中微子。此外电子俘获也是β衰变的一种，称为电子俘获β衰变。 因为β粒子就是电子，而电子的质量比起核的质量来要小很多，所以一个原子核放出一个β粒子后，它的质量数不变。 β衰变的规律是：新核的质量数不变，电荷数增加1，新核在元素周期表中的位置要向后移一位。β衰变中放出的电子能量是连续分布的，但对每一种衰变方式有一个最大的限度，可达几兆电子伏特以上，这部分能量由中微子带走。 1957年，吴健雄博士用钴-60的β衰变实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒。

5. 3伽马射线 • 伽马射线 • (重定向自Γ射線) • 伽马射线 • 伽马射线，或γ射线是原子衰变裂解时放出的射线之一。此种电磁波波长很短，穿透力很强，又携带高能量，容易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病。 • 但是它可以杀死细胞，因此也可以作杀死癌细胞，以作医疗之用。 • 1900年由法国科学家P.V.维拉德（Paul Ulrich Villard）发现，将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。1913年，γ射线被证实为是电磁波，由原子核内部自受激态至基态时所放出来的，范围波长为0.1 埃，和X射线极为相似，具有比X射线还要强的穿透能力。γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应。 电磁波谱无线电波| 微波| 红外线| 可见光| 紫外线| X射线| 伽马射线自然可见光: 红| 橙| 黄| 绿| 蓝| 靛| 紫七彩原色光: 红| 橙| 黄| 绿| 青| 蓝| 紫

6. 小结 • 我们原子核内部结构，揭开原子核内部神秘的面纱 ，对原子核有了更多的了解 • 收获增长了这方面的知识，提高了自己对学科的兴趣 • 教师评估：

7. 研究性论文 • 核衰变（nuclear decay），原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。 • 1896年法国科学家A.H.贝可勒尔研究含铀矿物 质的荧光现象时，偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线。不久人们发现其他原子序数很高的重元素如钍、镭等的盐类也具有放射性。经过多年细致研究，弄清楚这种放射性是铀、钍、镭等原子核的性质，与环境温度以及所处的化学状态无关；放射性放出的射线有3种：①α射线，具有最强的电离作用，穿透本领很小，在云室中留下粗而短的径迹。②β射线，电离作用较弱，穿透本领较强，云室中的径迹细而长。③γ射线，电离作用最弱，穿透本领最强，云室中不留痕迹。进一步研究表明，α射线中放射的粒子是电荷数为2质量数为4的氦核He，β射线中放射的粒子是带负电的电子，γ射线是波长很短的电磁波。不稳定的放射性核放射出射线后衰变为另一种核或衰变为能量较低的核，放射过程中遵从电荷守恒、质量数守恒和能量守恒。

8. 论文 • 自发放射α粒子的核衰变过程。α粒子是电荷数为2、质量数为4的氦核嬆He。α衰变可一般地表示为AZX─→+嬆He，式中AZX为母核；为放射α粒子后剩余的子核。根据母核、子核及氦核的静质量，衰变过程发生质量亏损，Δm=mX-mY-mα＞0，与此质量亏损相应的能量Δm·c2称为衰变能，大约为Ω兆电子伏特(MeV)量级，其中98%以上是α粒子动能，只有不足2%表现为子核的反冲动能。实际上根据放射α粒子的动能测量，发现大部分核素放出的α粒子可分为能量具有不同确定值的几群，例如Bi衰变成Tl共放出能量不同的六群α粒子，这说明子核具有离散的能级结构，能量最大的对应于Bi的基态跃迁到Tl的基态，其他的对应于跃迁到Tl的激发态，其中前者的相对强度较大；也有的核素可以从母核的不同能态跃迁到子核的基态，其特点是α粒子能量较低的跃迁较强。 • 　　不同核素α衰变的半衰期分布较广，从1微秒(μs)到1017秒(s)，一般的规律是衰变能较大，则半衰期较短；反之，衰变能较小，则半衰期较长。衰变能的微小改变，引起半衰期的巨大变化。α衰变是量子力学隧道效应的结果，半衰期随衰变能变化的规律可以根据隧道效应予以说明。计算表明，α粒子和子核的库仑势垒高达20MeV，α粒子的能量虽小于此值，但由于隧道效应，α粒子有一定的几率穿透势垒，跑出原子核。α粒子的能量越大，穿透势垒的几率越大，即衰变几率越大，从而半衰期越短。由于能量因子出现在指数上，因而它的微小变化，引起半衰期的巨大变化。这是量子力学研究原子核的最早成就之一。 • α衰变主要限于一些重核素。α衰变能谱的研究提供了核结构的信息。

9. 论文 • 原子核自发耗散其过剩能量使核电荷改变一个单位而质量数不改变的核衰变过程。分为放出一个电子的β-衰变、放出一个正电子的β+衰变和俘获一个轨道电子的轨道电子俘获(EC)3种类型， • A2X→A2+1Y+e-+νe(β-衰变)[注意：A2+1,2-1都在Y的左上和左下] • A2X→A2-1Y+e++νe(β+衰变)[-+在e的右上方。e在v的右下方] • A2X+e-→A2-1Y+νe(EC)[A2分别在X左上方和左下方] • 式中X和Y分别代表母核和子核；A和Z是母核质量数和电荷数；e-、e+为电子和正电子，νe、νe为电子中微子和反电子中微子。三种类型释放的衰变能分别为： • Qβ-=(mX-mY)c2[注意：xye都在m的右下] • Qβ+=(mX-mY-2me)c2[2在c右上，i在w右下] • QEC=(mX-mY)c2-wi[-+在q右上，贝塔 ec在q右下] • 　　式中mX、mY分别为母核原子和子核原子的静质量；me为电子静质量；wi为轨道电子结合能；c为真空光速。 • 　　轨道电子俘获可俘获K层电子，称为K俘获；也可以俘获L层电子，称为L俘获。轨道电子俘获所形成的子核原子由于缺少一个内层电子而处于激发态，可通过外层电子跃迁发射X射线标识谱或发射俄歇电子而退激。 • 　　最初以为β-衰变仅放出电子，实际测量发现，放出的电子能量从零到Qβ-连续分布，曾困惑物理学家多年。1930年W.E.泡利提出β-衰变放出e-的同时还放出一个静质量为零、自旋为1/2的中性粒子，衰变能为电子和该粒子分享，该粒子后来被称为中微子，1952年以后被实验确凿证实。 • 放射性核衰变的常见类型 • 　　科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一般为A≤209），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一般为N/Z=1～1.5，也有个别例外）。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A≥209的核素，即元素周期表中钋（Po）之后的所有元素的核素都具有放射性（钋之前的元素，有的核素也具有放射性），它们或是自发地放射出α射线（即He核），而转变成A较小的新核；或是因核素的N/Z不适当，其核内的中子与质子会自发地相互转变，从而改变N/Z的值，并同时放出一个β-（或β+）粒子。核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态，这样的核或是自发地放射出γ光子而转变到基态或较低能态，或是继续进行α衰变（或β衰变），直到变成一个稳定的核素为止。 • 　　放射性核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种，分别放出α射线、β射线和γ射线。 • 　　还应明确，不论是发生了上述的哪一种核衰变，其衰变过程都遵从电荷数守恒、质量数守恒和能量守恒。

10. 论文 • 可对放射性核衰变的常见类型归纳如下： • 1．α衰变 • 　　放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核的电荷数比母核减少2，质量数比母核减少4。α粒子的特点是电离能力强，射程短，穿透能力较弱。 • 2．β衰变 • β衰变又分β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。 • (1) β-衰变 • 　　放射出β-粒子（高速电子）的衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素常发生β-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。 • (2) β+衰变 • 放射出β+粒子（正电子）的衰变。一般地，中子相对缺乏的放射性核素常发生β+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。 • (3) 轨道电子俘获 原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1，质量数不变的另一种原子核。由于K层最靠近核，所以K俘获最易发生。在K俘获发生时，必有外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识X射线。这一能量也可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作“俄歇电子”。 • 3. γ衰变和内变换 • (1) γ衰变 • 　　处于激发态的核，通过放射出γ射线而跃迁到基态或较低能态的现象。γ射线的穿透力很强。γ射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。 • (2) 内变换 • 　　有时处于激发态的核可以不辐射γ射线回到基态或较低能态，而是将能量直接传给一个核外电子（主要是K层电子），使该电子电离出去。这种现象称为内变换，所放出的电子称作内变换电子。

11. 文献材料 • 鸣谢：维基百科,百度,南京大学,四川出版集团http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%CE%92%E8%A1%B0%E8%AE%8A&variant=zh-cn • http://image.baidu.com/i?tn=baiduimage&ct=201326592&cl=2&lm=-1&pv=&word=%D4%AD%D7%D3%BA%CB&z=2&rn=21&pn=20&ln=255 • 图片来源：维基百科，百度