当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK15 > 放射性和衰变规律 > β衰变
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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
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-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
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--高斯定律和电场线
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--环路定理
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--电荷系静电能
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--物质中电场
--导体静电平衡
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