§74内转换 1.内转换现象 原子核从激发态到较低的能态或基态的跃迁,除发射y光子外,还可以 通过发射电子来完成。这种电子通常不是来自原子核,而是来自原子的电子 壳层,即跃迁时可以把核的激发能直接交给原子的壳层电子而发射出来。这 种现象称为内转换。内转换过程放出来的电子称为内转换电子。 不能把内转换过程认作为内光电效应,即认为原子核先放出光子,然后光 子把能量交给核外的壳层电子而放出电子来。因为发生内转换的概率,可以 比光电效应的概率大很多。内转换电子是通过原子核的电磁场与壳层电子相 互作用直接把激发能交给壳层电子而产生的,这同时并不产生y光子。如对 0-→>0跃迁,不能放射y光子。但实验表明,0-0跃迁能放出内转换电子。这 也提供了内转换过程不是内光电效应的一个证明。 内转换电子是在早期研究β能谱时发现的,用磁谱仪测量放射源的能谱 时,发现有些放射源除具有β连续谱外,还出现一些单能电子峰
§7.4 内 转 换 1．内转换现象 原子核从激发态到较低的能态或基态的跃迁，除发射γ 光子外，还可以 通过发射电子来完成。这种电子通常不是来自原子核，而是来自原子的电子 壳层，即跃迁时可以把核的激发能直接交给原子的壳层电子而发射出来。这 种现象称为内转换。内转换过程放出来的电子称为内转换电子。 不能把内转换过程认作为内光电效应，即认为原子核先放出光子，然后光 子把能量交给核外的壳层电子而放出电子来。因为发生内转换的概率，可以 比光电效应的概率大很多。内转换电子是通过原子核的电磁场与壳层电子相 互作用直接把激发能交给壳层电子而产生的，这同时并不产生γ 光子。如对 0→0 跃迁，不能放射γ 光子。但实验表明，0→0 跃迁能放出内转换电子。这 也提供了内转换过程不是内光电效应的一个证明。 内转换电子是在早期研究β 能谱时发现的，用磁谱仪测量β 放射源的能谱 时，发现有些放射源除具有β 连续谱外，还出现一些单能电子峰
内转换电子的能量 100 E=E-w 对于K层内转换电子的能量Ek有 导 EK=Er-we L层内转换电子的能量E1有 EL=Er-WL 0.0030.0035 M层内转换电子的能量EM有 p/e=Bp/T·n E、=E-W 图7-513Cs的电子谱 式中W,W,WM分别表示K,L,M层电子的结合 由于L层有三个支壳层:L1,Lm,Im,则相应的电子结合能也有三个:W1,H Ⅱ,W1m,从而L层的内转换电子也有三种能量:E,Em,E1m,显然有以下等式: EEE EE W LI w LImL=Ey-WLll 由于M层有五个支壳层,则M层的内转换电子有五种能量,依此类推。 如实验测得13Ba的Ek=6242kev,查表得Wk=374keV,则得: Ey=6242+374=6616kev
2．内转换电子的能量 e = γ −WEE 对于 K 层内转换电子的能量 EK有 K = γ −WEE K L 层内转换电子的能量 EL有 L = γ −WEE L M 层内转换电子的能量 EM 有 M = γ −WEE M 式中 WK，WL，WM 分别表示 K，L，M 层电子的结合能。 由于 L 层有三个支壳层：LⅠ，LⅡ，LⅢ，则相应的电子结合能也有三个：WLⅠ，WL Ⅱ，WLⅢ，从而 L 层的内转换电子也有三种能量：ELⅠ，ELⅡ，ELⅢ，显然有以下等式： ⎪⎭ ⎪⎬⎫ −= −= −= LIII LIII LII LII LI LI WEE WEE WEE γ γ γ 由于 M 层有五个支壳层，则 M 层的内转换电子有五种能量，依此类推。 如实验测得 137Ba 的 EK=624.2 keV，查表得 WK=37.4 keV，则得： Eγ＝624.2＋37.4＝661.6 keV
内转换过程要伴随特征X射线或俄歇电子的发射。 3.内转换系数 元=+2 式中和A分别为发射y光子和内转换电子时的跃迁概率。 定义x与之比为内转换系数,一般以a表示,即 a=1/2=Ne/N 式中N和N,分别为单位时间内发射的内转换电子数和y光子数 定义相应于各个壳层的内转换系数为: ak=NK/N,,aL=NL/N,,aM=NM/N 显然, ak +, 根据内转换系数的定义知道,它可以由实验测定,即测量同一时间间隔内原子核所 放射的内转换电子数和相应的y光子数。另一方面,内转换系数可以由理论计算而得, 因而可以进行实验值和理论值的比较,从中获得有关能级特性的重要知识。目前有关核 衰变能级特性的大部分知识是从研究内转换而得的。 理论上对内转换系数a=4/的计算,不同于的计算,它与原子核的矩阵元无关。 这是由于λ和λ都正比于原子核矩阵元的平方,后者同时出现于内转换系数的分子与分 母中,因而相消了,所以对内转换系数可以进行比较精确的计算
内转换过程要伴随特征 X 射线或俄歇电子的发射。 3．内转换系数 λ = λγ + λe 式中λγ和λe分别为发射γ 光子和内转换电子时的跃迁概率。 定义λe与λγ之比为内转换系数，一般以α表示，即 α ≡ λe λγ = e NN γ 式中 Ne和 Nγ分别为单位时间内发射的内转换电子数和γ 光子数。 定义相应于各个壳层的内转换系数为： ≡ , ≡ , M ≡ M ,⋅⋅⋅ α KK γ α LL γ α NNNNNN γ 显然， α = α +α +α MLK ⋅+ ⋅⋅ 根据内转换系数的定义知道，它可以由实验测定，即测量同一时间间隔内原子核所 放射的内转换电子数和相应的γ 光子数。另一方面，内转换系数可以由理论计算而得， 因而可以进行实验值和理论值的比较，从中获得有关能级特性的重要知识。目前有关核 衰变能级特性的大部分知识是从研究内转换而得的。 理论上对内转换系数α λ λγ / = e 的计算，不同于λγ的计算，它与原子核的矩阵元无关。 这是由于λe和λγ都正比于原子核矩阵元的平方，后者同时出现于内转换系数的分子与分 母中，因而相消了，所以对内转换系数可以进行比较精确的计算
当形《E《m2时,理论上可得EL和ML跃迁的K层内转换系数分别为 ak(EL)≈z mec L+5/2 137′L+1E ak(M)2(1则c20 137E 内转换系数随原子核的电荷数Z和γ辐射的角动量L的增加而很快增加,随跃迁 能量E的增加而减小。因此,重核中跃迁前后能级的角动量之差很大而能量之差很小 时,内转换系数是很大的(∞>1),以致于很难观察到y辐射。这时可以利用不同壳层或 支壳层的内转换系数分支比,例如KL比及Lr:Lm:Lm等。其定义为 K/L=NK/N 即使内转换系数a值不大,通常也是通过测量内转换系数分支比来与理论作比较 这是因为在分支比的测量中,所测的都是能量相近的内转换电子,仪器引起的系统误 差可以互相抵消,从而转换系数分支比的测量常常比转换系数a的测量要精确得多。 4.内转换系数应用举例
当 WK«EK«mec2 时，理论上可得 EL 和 ML 跃迁的 K 层内转换系数分别为 25 2 3 4 e K ) 2( 1 ) 1371 ()( + + ≈ L E cm LL ZEL γ α 23 2 3 4 e K ) 2() 1371 ()( + ≈ L E cm ZML γ α 内转换系数随原子核的电荷数 Z 和γ 辐射的角动量 L 的增加而很快增加，随跃迁 能量 Eγ的增加而减小。因此，重核中跃迁前后能级的角动量之差很大而能量之差很小 时，内转换系数是很大的(α»1)，以致于很难观察到γ 辐射。这时可以利用不同壳层或 支壳层的内转换系数分支比，例如 K/L 比及 LⅠ:LⅡ:LⅢ等。其定义为 ≡ NNLK LK IIIIII LIILI LIII ≡ :::: NNNLLL 即使内转换系数α 值不大，通常也是通过测量内转换系数分支比来与理论作比较。 这是因为在分支比的测量中，所测的都是能量相近的内转换电子，仪器引起的系统误 差可以互相抵消，从而转换系数分支比的测量常常比转换系数α 的测量要精确得多。 4．内转换系数应用举例
10.5 59 M3 纯GT型容许跃迁 5.274a 13322 图766Co的衰变纲图 表7-3ak的理论值(10-4) 跃迁类型 E El E3 MI 1. 17 Mev 0.72 1.55 3.01 1.38 2.87 1.33 Mev 0.58 1.17 2.07 1.03 2.07
纯GT型容许跃迁
§7.5同核异能态 1.同核异能态和同核异能素(新的储能方式?) 寿命比较长的激发态称为同核异能态 寿命大于0s的同核异能态称为长寿命的同核异能态。长寿命的同核异能态通常在 质量数 m来表 0 由于有长寿命的同核异能态的存在,就可能存在这样的原子核,它们的电荷数和 质量数完全一样,即核的组成完全相同,但放射性衰变的半衰期却不相同,这样的核 素称为同核异能素。例如C0与6Co的电荷数和质量数都相同,但它们的半衰期却 不同,前者为10.5min,后者为527a 同核异能素最早是在1921年发现的,发现Th的尸衰变所形成的子体91Pa有两 种半衰期,如下式所示: 234m Th 234 24Pa的半衰期为122mim,29Pa的半衰期为67h,但它们的电荷数都是9,质 量数都是234。23Pa是23Pa的一个亚稳的激发态。这是在很长期间内唯一知道的同 核异能素的例子。自1934年发现人工放射性后,新的同核异能素才不断地被人们所发 现
§7.5 同 核 异 能 态 1．同核异能态和同核异能素（新的储能方式？） 寿命比较长的激发态称为同核异能态。 寿命大于 0.1s 的同核异能态称为长寿命的同核异能态。长寿命的同核异能态通常在 质量数后面加上 m 来表示，例如 60Co 的同核异能态可表示为 60mCo。 由于有长寿命的同核异能态的存在，就可能存在这样的原子核，它们的电荷数和 质量数完全一样，即核的组成完全相同，但放射性衰变的半衰期却不相同，这样的核 素称为同核异能素。例如 60mCo 与 60Co 的电荷数和质量数都相同，但它们的半衰期却 不同，前者为 10.5min，后者为 5.27a。 同核异能素最早是在 1921 年发现的，发现 Th 23490 的β− 衰变所形成的子体 Pa 23491 有两 种半衰期，如下式所示： 6.7h 234 91 1.22min 234m 91 234 90 Pa Pa Th ⎯⎯→ ⎯⎯→ − − − β β β — Pa m23491 的半衰期为 1.22 min， Pa 23491 的半衰期为 6.7h，但它们的电荷数都是 91，质 量数都是 234。234mPa 是 234Pa 的一个亚稳的激发态。这是在很长期间内唯一知道的同 核异能素的例子。自 1934 年发现人工放射性后，新的同核异能素才不断地被人们所发 现
处于同核异能态的原子核,和处于一般激发态的原子核一样,通常可以通过y 跃迁或发射内转换电子退激到基态,只是跃迁概率较小而已。除此而外,有些同 核异能态可以直接发生B衰变,例如2pa和mCo;还有的同核异能态甚至可 211m 以发生a衰变,例如84P0。 2.同核异能态和y跃迁的关系 同核异能态的角动量和基态(或相邻的较低激发态)的角动量之差A较大, 能量之差ΔE一般较小。γ跃迁概率随A的增加和△E减小而急剧地下降,因而 这时跃迁概率就小,半衰期就长。例如,3mPa的角动量L=0,而34Pa基态的 角动量L0=4,A=4;Co的Lm=2,6Co的l0=5,△F=3;2mPo的l=25/2,2Po 的l=9/2,Δ=8,可见它们的M都比较大,因而γ跃迁概率比较小。同核异能跃 迁的内转换系数比较大。 3.同核异能素岛 长寿命同核异能素(相应同核异能跃迁的△23)不是在元素周期表的全部 范围内都有可能出现,它的分布随核子数的变化具有一定的规律性,形成所谓同 核异能素岛,如图7-7所示。由图可见,它们几乎都集中在紧靠Z或N=50,82 126等所谓幻数前面的区域。这种规律性能用下一章要讨论的核结构的壳模型理 论得到成功的解释
处于同核异能态的原子核，和处于一般激发态的原子核一样，通常可以通过γ 跃迁或发射内转换电子退激到基态，只是跃迁概率较小而已。除此而外，有些同 核异能态可以直接发生 β 衰变，例如 234mPa 和 60mCo；还有的同核异能态甚至可 以发生 α 衰变，例如 Po m21184 。 2．同核异能态和γ 跃迁的关系 同核异能态的角动量和基态（或相邻的较低激发态）的角动量之差 ΔI 较大， 能量之差 ΔE 一般较小。 γ 跃迁概率随 ΔI 的增加和 ΔE 减小而急剧地下降，因而 这时跃迁概率就小，半衰期就长。例如，234mPa 的角动量 Im=0，而 234Pa 基态的 角动量 I0=4，ΔI=4；60mCo 的 Im=2，60Co 的 I0=5，ΔI=3；211mPo 的 Im=25/2，211Po 的 I0=9/2，ΔI=8，可见它们的 ΔI 都比较大，因而γ 跃迁概率比较小。同核异能跃 迁的内转换系数比较大。 3．同核异能素岛 长寿命同核异能素（相应同核异能跃迁的 ΔI ≥ 3）不是在元素周期表的全部 范围内都有可能出现，它的分布随核子数的变化具有一定的规律性，形成所谓同 核异能素岛，如图 7-7 所示。由图可见，它们几乎都集中在紧靠 Z 或 N=50，82， 126 等所谓幻数前面的区域。这种规律性能用下一章要讨论的核结构的壳模型理 论得到成功的解释
240 220 200 180 160 140 120 100 60 20 2850 82 126 N(·)和z(o) 图7-7同核异能素岛