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1、2010-9-2 原子核物理学原子核物理学 主讲：龚学余尹陈艳龚学余尹陈艳 开课单位：核科学技术学院核科学技术学院 适用教材：原子核物理（修订版） 7.5 同核异能态同核异能态 7.4 内转换内转换 7.3 选择定则选择定则 7.2 跃迁概率 跃迁概率 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 7.6 级联 辐射的角关联级联 辐射的角关联 第七章 跃迁第七章 跃迁 返回主目录 7.7 穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应 原子核进行，衰变以及核反应以后所形成的原 子核往往处于激发态。处于激发态的原子核不稳定， 常常进行电磁跃迁。 原子核通过发射光子从激发态跃迁到基态或者 原子核进行，衰变以及核反应以后所形成的原
2、 子核往往处于激发态。处于激发态的原子核不稳定， 常常进行电磁跃迁。 原子核通过发射光子从激发态跃迁到基态或者 较低的能态较低的能态，这个过程叫做 跃迁，或称为 衰变。 射线的能量 ，这个过程叫做 跃迁，或称为 衰变。 射线的能量E 等于初始能级能量等于初始能级能量Ei与终态能级 能量 与终态能级 能量Ef之差即之差即 E = Ei Ef。 光子能量一般为： 。 光子能量一般为：10 keV - 5 MeV （10 8 cm 10 11 cm） 第七章 跃迁第七章 跃迁 由于跃迁的性质与激发态的性质相联系，因而由于跃迁的性质与激发态的性质相联系，因而 通过它的研究，可以获得激发态能级特性的知识
3、，通过它的研究，可以获得激发态能级特性的知识， 这是研究核能级特性的重要手段这是研究核能级特性的重要手段。能谱学构成了核 能谱学的重要组成部分。 但是能谱不能给出核能级结构的全部知识，因 为：核从激发态退激时，电磁辐射并不是唯一的方 式，还可能发射内转换电子、以及中子、质 子，甚至会发生裂变。 本章主要讨论： 辐射的多极性，跃迁几率，选择定则， 内转换现象，同质异能态，角关联和穆斯堡尔效应等。 。能谱学构成了核 能谱学的重要组成部分。 但是能谱不能给出核能级结构的全部知识，因 为：核从激发态退激时，电磁辐射并不是唯一的方 式，还可能发射内转换电子、以及中子、质 子，甚至会发生裂变。 本章主要讨
4、论： 辐射的多极性，跃迁几率，选择定则， 内转换现象，同质异能态，角关联和穆斯堡尔效应等。 第七章 跃迁第七章 跃迁 7.1 辐射的多极性7.1 辐射的多极性 射线与射线与 X射线、可见光有相同的本质，它们 都是电磁波 射线、可见光有相同的本质，它们 都是电磁波，只是射线的波长比可见光和，只是射线的波长比可见光和X射线短 得多。电磁辐射波长与光子能量 射线短 得多。电磁辐射波长与光子能量E的一般关系是：的一般关系是： chhE= 既然 辐射是电磁辐射的一种，下面就从经 典电磁辐射开始讨论： 既然 辐射是电磁辐射的一种，下面就从经 典电磁辐射开始讨论： 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 一、经
5、典的电磁辐射一、经典的电磁辐射 由经典电动力学，带电体系做周期性运动时 会产生电磁辐射。 由经典电动力学，带电体系做周期性运动时 会产生电磁辐射。 1、电多极辐射1、电多极辐射 由两个等量异种电荷由两个等量异种电荷q 和和q 组 成的偶极子作简谐振动（图 组 成的偶极子作简谐振动（图7-1）。 这两个电荷的位置随时间的变化为 ）。 这两个电荷的位置随时间的变化为 tazsin 1 = tazsin 2 = 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 则两电荷之间的距离随时间的变化为则两电荷之间的距离随时间的变化为 tazzzsin2 21 = 于是电偶极矩随时间的变化为于是电偶极矩随时间的变化为 tp
6、taqqzpsinsin2 0 = 这种偶极振子所产生的辐射，叫做电偶极辐射这种偶极振子所产生的辐射，叫做电偶极辐射。 可以推得偶极振子在单位时间放出的平均能量为： 。 可以推得偶极振子在单位时间放出的平均能量为： 2 0 3 4 0 34 1 p c W = 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 由两个电偶极子组成的系统叫做电四极子由两个电偶极子组成的系统叫做电四极子 它产生的辐射叫做电四极辐射它产生的辐射叫做电四极辐射。 由两个电四极子组成的系统叫做电八极子 。 由两个电四极子组成的系统叫做电八极子 电八极子辐射电八极子辐射。 电偶极辐射、电四极辐射、电八极辐射等 统称为电多极辐射 电偶极辐
7、射、电四极辐射、电八极辐射等 统称为电多极辐射。 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 2、磁多极辐射 磁偶极辐射：在 2、磁多极辐射 磁偶极辐射：在oxy平面内有一交变电 流回路，角频率为 平面内有一交变电 流回路，角频率为 ，这个回路相当于一个沿，这个回路相当于一个沿 Z方向作简谐振动的磁偶极振子方向作简谐振动的磁偶极振子，它所产生的 辐射称为磁偶极辐射 ，它所产生的 辐射称为磁偶极辐射。 磁多极子产生的辐射称为磁多极辐射 。 磁多极子产生的辐射称为磁多极辐射。 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 3、多极辐射能量发射率的表达式3、多极辐射能量发射率的表达式 1）L 级的电多极辐射功率表达式
8、级的电多极辐射功率表达式 （7.1-2） 其中， ） 其中，QLM称为电多极矩：称为电多极矩： （7.1-3） 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 2）L 级磁多极辐射功率级磁多极辐射功率 （7.1-4） 磁多极矩： ） 磁多极矩： （7.1-5） 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 二、原子核的多极辐射二、原子核的多极辐射 原子核是一个具有一定的电荷电流分布的体系。 原子核发射 射线退激，类似于经典电荷电流分布 变化发射电磁波。但是原子核是微观体系，它的运 动变化规律要用量子力学来描述。 微观体系的特点 原子核是一个具有一定的电荷电流分布的体系。 原子核发射 射线退激，类似于经典电荷电流分布
9、 变化发射电磁波。但是原子核是微观体系，它的运 动变化规律要用量子力学来描述。 微观体系的特点：能量和角动量的量子化、原 子核的状态还有确定的宇称。这些都与宏观体系根 本不同。 下面依次讨论 辐射的能量、角动量和宇称。 ：能量和角动量的量子化、原 子核的状态还有确定的宇称。这些都与宏观体系根 本不同。 下面依次讨论 辐射的能量、角动量和宇称。 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 1、核的能量状态是分立的，辐射能量是量子化的。1、核的能量状态是分立的，辐射能量是量子化的。 fi EEE= h 如果单位时间内发射光子数为如果单位时间内发射光子数为n， 则能量发射率为 ， 则能量发射率为 Wn=h
10、7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 2、核有确定的角动量，始末状态角动量守恒。2、核有确定的角动量，始末状态角动量守恒。 光子带走的角动量为光子带走的角动量为L，则有，则有 if LII= u vuvuu v L|Ii If |，|Ii If |+1，|Ii If |+2，Ii + If L L 越大， 跃迁的概率越小。因此，一般取越大， 跃迁的概率越小。因此，一般取L的最 小值，即 的最 小值，即L|Ii If |。 由于光子本身的自旋为 。 由于光子本身的自旋为1，因此，因此L1。即。即Ii If 0 的跃迁不可能通过发射光子来实现。当的跃迁不可能通过发射光子来实现。当 Ii If 0 时
11、，时， L 不能取不能取 |Ii If |，其最小值应取为，其最小值应取为L |Ii If |+11。 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 根据被光子带走的角动量的不同，即根据被光子带走的角动量的不同，即 L值的不同值的不同，把辐射分成不同的极次：，把辐射分成不同的极次： L1 偶极辐射偶极辐射 L2 四极辐射四极辐射 L3 八极辐射八极辐射 角动量为角动量为L2L极辐射极辐射 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 3、原子核有确定的宇称。 跃迁是一种电磁相互作用，宇称守恒。 设分别为原子核跃迁前后的宇称 及 辐射的宇称，则 3、原子核有确定的宇称。 跃迁是一种电磁相互作用，宇称守恒。 设分别为
12、原子核跃迁前后的宇称 及 辐射的宇称，则 f i fi =即 由上式可知，跃迁前后原子核的宇称相同时， 辐射具有偶宇称；跃迁前后原子核的宇称相反 时， 辐射具有奇宇称。 由上式可知，跃迁前后原子核的宇称相同时， 辐射具有偶宇称；跃迁前后原子核的宇称相反 时， 辐射具有奇宇称。 , fi 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 根据 辐射的宇称不同， 辐射分为两类： 1）电多极辐射：宇称的奇偶性和 根据 辐射的宇称不同， 辐射分为两类： 1）电多极辐射：宇称的奇偶性和L的奇偶性相同。 即 的奇偶性相同。 即() ()LEL1= 通常，电通常，电2L极辐射用符号极辐射用符号EL 表示。例如：表示。例如
13、：E 1 表示电偶极辐射；表示电偶极辐射；E 2 表示电四极辐射；表示电四极辐射； E 3 表示 电八极辐射； 表示 电八极辐射；。 电多极辐射的实质 。 电多极辐射的实质主要是由原子核内电荷密度 变化引起的。 主要是由原子核内电荷密度 变化引起的。 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 2）磁多极辐射：宇称的奇偶性和2）磁多极辐射：宇称的奇偶性和L 的奇偶性相反。 即 的奇偶性相反。 即 ()() 1 1 L ML + = 通常，磁通常，磁2L极辐射用符号极辐射用符号ML 表示。例如：表示。例如： M 1 表示磁偶极辐射；表示磁偶极辐射；M 2 表示磁四极辐射；表示磁四极辐射； M 3 表示磁
14、八极辐射；表示磁八极辐射；。 磁多极辐射的实质 。 磁多极辐射的实质是由电荷运动引起电流密 度和内在磁矩的变化引起的。 是由电荷运动引起电流密 度和内在磁矩的变化引起的。 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 辐射的多极性 辐射的多极性指的是辐射的电磁性 质和极次。讨论 辐射的多极性，可以确 定跃迁前后能级宇称和角动量的变化， 以获取原子核能级特性的知识。研究 跃 迁的重要任务之一就是从实验定出 辐射 的多极性，以便和理论作比较。 指的是辐射的电磁性 质和极次。讨论 辐射的多极性，可以确 定跃迁前后能级宇称和角动量的变化， 以获取原子核能级特性的知识。研究 跃 迁的重要任务之一就是从实验定出 辐
15、射 的多极性，以便和理论作比较。 返回上级菜单 7.1 辐射的多极性 辐射的多极性 跃迁亦服从指数衰减 跃迁亦服从指数衰减 t eNtN = 0 )( 为跃迁概率为跃迁概率 2/1 2ln1 T = 实验上：往往通过测量实验上：往往通过测量T1/2 或 来求得。 理论上： 或 来求得。 理论上： 是由原子核的结构和它所处的状态决定 是由原子核的结构和它所处的状态决定 的的。故可以从一定的假设出发，推导出它 的表达式，将其在具体条件的计算结果与 实验测量值进行比较，从而可以获得关于 原子核结构的知识。 。故可以从一定的假设出发，推导出它 的表达式，将其在具体条件的计算结果与 实验测量值进行比较，从而可以获得关于 原子核结构的知识。 7.2 跃迁概率 跃迁概率 一、 跃迁概率公式 跃迁的物理过程 一、 跃迁概率公式 跃迁的物理过程是由于处于激发态的核 子与周围电磁场的相互作用，发射光子，回 到低激发态或基态的过程。 跃迁概率公式，可由经典电磁理论得到 的公式（ 是由于处
