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β衰变

下一节:核的结合能

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β衰变课程教案、知识点、字幕

同学好

这一节我们讲β衰变

这个现象我们在中学就学过

就是电子或

正电子从原子核里面跑出来

正电子是狄拉克方程预言的

后来安德森在威尔逊云室发现了它

它和电子几乎完全相同

只是电荷是反号

它是电子的反粒子

和电子复合湮灭产生γ光子

现在看到的是正电子β衰变能谱

从道理上

对于给定核的β衰变能量

应该是确定的

但是实验观察到

正电子能量连续分布

而且能量有个最大值

电子β衰变也有类似现象

能量怎么会这样不确定呢

当时有著名物理学家甚至怀疑

微观过程能量可能不守恒

但是泡利坚持认为能量应该守恒

他认为能量是被看不见的粒子带走了

这个看不见的粒子就是中微子

β衰变时

考虑电子能量和动量以及核反冲

利用能量守恒和动量守恒

可以发现

这个中微子是质量几乎为零

几乎以光速运动的粒子

另一方面

β衰变前后核的自旋量子数

要么都是整数

要么都是半整数

可是跑走的电子或者

正电子的自旋是1/2

所以假如真有中微子的话

其自旋应该是半整数的

现在我们可以确认中微子的存在

而且自旋是1/2

它是非常重要的基本粒子

实验中β衰变

总是伴随着中微子的产生

后来发现中微子也有不同

伴随电子β衰变的中微子是

正电子β衰变中微子的反粒子

实验证实

电子β衰变是

中子转变成质子的过程

而正电子β衰变是

质子变成中子的过程

质子吸收电子也会转变成中子

我们知道自由质子是稳定的

而自由中子的半衰期

只有12分钟左右

可是在原子核内部

环境不同

所以有时核子是稳定的

而有时会发生衰变

比如钴59中 中子稳定

而在钴60中 中子就衰变

β衰变主要是因为弱相互作用

这是费米最先发现的

所以所谓环境

是弱相互作用环境

它在不同原子核里面是非常不同的

弱相互作用

还有比较特别的地方

就是弱相互作用过程宇称不守恒

这是李政道和杨振宁最先发现的

后来吴健雄做实验验证了这个发现

李和杨因此获得了诺贝尔奖

弱相互作用过程

一般有中微子发射

太阳聚变反应

也产生中微子

可是在地球探测到的太阳中微子数目

与理论预测的结果不符

这就是太阳中微子失踪之谜

后来发现实际还有μ子和τ子

都是和电子一样的轻子

只是质量不同

它们也都有相应的中微子

理论研究表明

假如中微子质量不为零的话

就发生中微子振荡

就是电子中微子与μ子

或τ子中微子可以互相转化

研究表明太阳中微子不是消失了

而是电子中微子

转变成了其它中微子

发生了中微子振荡

所以中微子质量肯定不为零

但是非常小

实验还观察到大气层中

电子中微子和μ子中微子振荡

最近在大亚湾核电站

中国高能所的物理学家

观察到了新的中微子振荡模式

回过来再看β衰变

大家现在看到的是β衰变纲图

锕元素经过β衰变

再发射γ光子后可以转变为镭

也可以转变为钍

这两种机理是不一样的

假如锕原子核内中子衰变

变成质子

放出电子和电子反中微子

则原子序数增加一个变成钍核

有时原子核内质子

可以俘获核外电子

衰变成中子并放出电子中微子

原子序数减少一个

变成镭核

这两种衰变几率很不一样

前面我们讲

中微子参与弱相互作用

不带电荷

几乎以光速运动

所以很难探测

像地球这样大物体

对中微子几乎是透明的

但还是有办法可以探测中微子

只是概率比较小

就是当中微子碰上质子

有时会使质子发生衰变

产生中子和正电子

所以通过探测正电子

间接探测中微子

小柴昌俊利用废弃的深矿井

里面注水

水里有大量的氢核

也就是质子

中微子通过的时候

会有小概率与质子反应

他准备这个实验

主要是为了探测太阳中微子振荡的

很偶然

恰好有超新星爆发

他探测到了中微子

从此开启了

天体物理观测中的中微子窗口

他获得了2002年的诺贝尔物理奖

2006年来清华做过报告

报告题目是

Neutrino neutrino neutrino

β衰变还有非常有趣的应用

大家现在看到的图

a是Van Dyck的一个画

假如照射中子

画面上的有些原子核发生嬗变

变成放射性元素

不同原子核衰变的半衰期是不同的

图b是照射中子后经过几个小时

β衰变电子在

特殊底片上的成像

根据半衰期可以得知

这是锰元素的分布图

它含在棕色颜料中

画画时一般用在底层

现代棕色颜料不含锰元素

所以白色部分应该是后来

修复过的地方

经过几天以后

棕色颜料衰变完了

但是含在碳黑中的磷

变成主要衰变源

此时β衰变电子成像是图c

倒过来看是

Van Dyck的自画像草图

原来是画家改主意不画自己了

画了 圣母罗莎莉

为遭受鼠疫侵袭的巴勒莫斡旋

这一幅画

好 这节内容就讲到这儿

谢谢

大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)课程列表:

WEEK1

-电荷和库仑定律

--引言

--电荷

--库仑定律

-WEEK1--电荷和库仑定律

-电场及叠加原理,电偶极子

--电场和电场强度

--点电荷电场及叠加原理

--点电荷电场及叠加原理(续1)

--点电荷电场及叠加原理(续2)

--点电荷电场及叠加原理(续3)

-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子

-高斯定律

--电通量

--立体角*

--高斯定律的证明*

--高斯定律和电场线

--高斯定律的应用

--高斯定律的应用(续)

-WEEK1--高斯定律

-WEEK1--本周作业

-week1课件

WEEK2

-静电场环路定理、电势和叠加原理

--环路定理

--电势和叠加原理

--电势和叠加原理(续)

--电势梯度

--等势面

-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理

-静电能

--电荷系静电能

--电荷系静电能(续1)

--电荷系静电能(续2)

-WEEK2--静电能

-导体静电平衡

--物质中电场

--导体静电平衡

--导体静电平衡条件(续1)

--导体静电平衡条件(续2)

-WEEK2--导体静电平衡

-WEEK2--本周作业

-week2课件

WEEK3

-导体周围电场

--有导体时静电场的计算

--有导体时静电场的计算(续)

-WEEK3--导体周围电场

-静电屏蔽

--导体壳与静电屏蔽

-WEEK3--静电屏蔽

-电容及电容器

--电容及电容器

--电容及电容器(续)

-WEEK3--电容及电容器

-电介质

--介质对电场的影响

-WEEK3--电介质

-极化强度矢量,极化电荷

--极化强度

--极化电荷

-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷

-WEEK3--本周作业

-week3课件

WEEK4

-极化规律、电位移矢量

--电介质的极化规律

--电介质的极化规律(续)

--电位移矢量及其应用

--电位移矢量及其应用(续)

-WEEK4--极化规律、电位移矢量

-有介质时静电场能量

--有介质时静电场能量

-WEEK4--有介质时静电场能量

-电流密度、稳恒电流和稳恒电场

--电流密度

--稳恒电流和稳恒电场

-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场

-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

--电动势

--欧姆定律

--欧姆定律(续)

-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

-电流微观图像和暂态过程

--电流微观图像

--电容器的充放电(暂态过程)*

-WEEK4--电流微观图像和暂态过程

-本周作业

--week4--本周作业

-week4课件

WEEK5

-洛仑兹力、磁感应强度

--电流磁效应

--磁场和磁感应强度

-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度

-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

--毕-萨-拉定律

--毕-萨-拉定律(续)

--磁场高斯定律

-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

-静磁场环路定理

--安培环路定理及其应用

--安培环路定理及其应用(续1)

--安培环路定理及其应用(续2)

-WEEK5--静磁场环路定理

-安培力和霍尔效应

--带电粒子在磁场中的运动

--霍尔效应

--安培力

-WEEK5--安培力和霍尔效应

-WEEK5--本周作业

-week5课件

WEEK6

-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩

-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

-磁介质对磁场的影响和原子磁矩

--磁场中的磁介质

--原子的磁矩

-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩

-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

--磁介质的磁化

--磁化电流

--有磁介质时磁化的规律

-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

-WEEK6--本周作业

-week6课件

WEEK7

-铁磁介质和简单磁路

--磁场的界面关系

--铁磁性材料

-WEEK7--铁磁介质和简单磁路

-法拉第电磁感应定律

--法拉第电磁感应定律

--电磁感应定律和磁通连续定理的普适性

-WEEK7--法拉第电磁感应定律

-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

--动生电动势

--感生电动势和感生电场

--涡电流

-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

-自感和互感

--自感

--互感

-WEEK7--自感和互感

-WEEK7--本周作业

-week7课件

WEEK8

-暂态过程和磁场能量

--RL电路的暂态过程

--磁场的能量

-磁场和电场的相对性

--电场和磁场的相对性

-位移电流和麦克斯韦方程组

--麦克斯韦方程组和电磁波

--麦克斯韦方程组

-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组

-电磁波、坡因廷矢量和光压

--电磁波

--坡印廷矢量

--电磁波的动量

--光压——辐射压强

-本周作业

--week8--本周作业

-week8课件

WEEK9

-波动光学—引言

--波动光学——引言

-WEEK9--波动光学—引言

-杨氏双缝干涉、相干光

--光的干涉

--双缝干涉

-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光

-光源及发光性质

--光源的发光特性

--时间相干性

--空间相干性

-WEEK9--光源及发光性质

-光程、等倾和等厚干涉

--光程

--薄膜干涉(一)

--薄膜干涉(二)

-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉

-迈克耳逊干涉仪

--迈克耳逊干涉仪

-WEEK9--本周作业

-week9课件

WEEK10

-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

--惠更斯原理

--单缝夫琅禾费衍射

--单缝夫琅禾费衍射(续)

-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

-光栅衍射

--光栅衍射

--光栅衍射(续)

-WEEK10--光栅衍射

-光学仪器分辨本领

--光学仪器的分辨本领

--光学仪器的分辨本领(续)

-WEEK10--光学仪器分辨本领

-X射线晶体衍射

--X射线的衍射

-WEEK10--X射线晶体衍射

-WEEK10--本周作业

-week10课件

WEEK11

-光的偏振状态和偏振片

--光的偏振状态

--光的偏振状态(续)

--起偏和检偏

-WEEK11--光的偏振状态和偏振片

-反射和折射光偏振

--反射和折射及散射光的偏振

-WEEK11--反射和折射光偏振

-晶体双折射、波片

--双折射

--双折射(续)

--波片

-WEEK11--晶体双折射、波片

-偏振光干涉、人工双折射和旋光

--偏振光的干涉

--人工双折射

--旋光现象

-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光

-量子物理诞生和黑体辐射

--量子物理

--黑体辐射

-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射

-WEEK11--本周作业

-week11课件

WEEK12

-光电效应、光子和康普顿效应

--光电效应

--光子

--光子(续)

--光子(续2)

--康普顿效应

-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应

-物质波、波函数和概率密度

--物质波

--波函数

--波函数(续)

-WEEK12--物质波、波函数和概率密度

-不确定性关系

--不确定关系

-WEEK12--不确定性关系

-薛定谔方程

--薛定谔方程

-WEEK12--薛定谔方程

-一维无限深势阱

--一维无限深势阱

-WEEK12--一维无限深势阱

-WEEK12--本周作业

-week12课件

WEEK13

-一维问题

--一维谐振子

--势垒穿透

--扫描隧道显微镜

-WEEK13--一维问题

-氢原子能级和角动量

--原子中的电子

--玻尔理论发展的基础

--氢原子的量子力学处理

--能量量子化

-WEEK13--氢原子能级和角动量

-电子自旋、费米子和泡利不相容原理

--电子自旋与自旋轨道耦合

--碱金属原子光谱的双线

--微观粒子的不可分辨性

--各种原子核外电子排布

-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理

-WEEK13--本周作业

-week13

WEEK14

-X射线、激光、分子光谱简介

--video

--Video

--分子光谱简介

--激光

--光学谐振腔

-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介

-固体电子气模型和量子统计

--固体

--自由电子气体模型

--量子统计

-WEEK14--固体电子气模型和量子统计

-能带模型

--能带

-能带模型--作业

-本周作业

--WEEK14--本周作业

-week14

WEEK15

-半导体和PN结

--Video

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-WEEK15--半导体和PN结

-原子核性质、核磁共振

--Video

--Video

--Video

-WEEK15--原子核性质、核磁共振

-放射性和衰变规律

--Video

--α衰变

--穆斯堡尔效应

--β衰变

-WEEK15--放射性和衰变规律

-结合能、核力

--核的结合能

--核力

-WEEK15--结合能、核力

-粒子物理简介

--基本粒子

-WEEK15--粒子物理简介

-本周作业

--WEEK15--本周作业

-week15课件

期末考试

-期末考试--期末考试题Part1

-期末考试--期末考试Part2

-期末考试--期末考试Part3

β衰变笔记与讨论

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