β射线能谱学

β射线能谱学,简称β谱,一般将原子核β衰变所放射的β射线的动量或能量分布称为β射线能谱,原子核物理学的分支,应用于原子的外层电子、甚至化合物、固体以及表面能谱研究。

β射线能谱学

β-ray spectroscopy

原子核物理学的分支。一般将原子核β衰变所放射的β射线的动量或能量分布称为β射线能谱,简称β谱。β射线谱学研究β谱的测量,以及根据β谱研究原子核β衰变规律和原子核的特性,最早关于中微子存在的论证就是从β谱的连续分布得出的。测量β谱的仪器称为β谱仪,按照测量β谱方法上的不同,可分为两类:一类是利用β射线在探测器(如闪烁计数器或半导体探测器)中形成脉冲的高度分布,在一定能量范围内它与β谱成正比;另一类是β磁谱仪,利用垂直方向的磁场使β射线束偏转聚焦,按能量分布区分开来。根据测量到的β谱数据,再结合伴随β衰变放射的γ射线的研究,就能对原子核能级有较好的了解。

随着大量人工放射性核素的出现,β射线谱学在20世纪50年代盛极一时,60年代以后,可做的研究工作已大为减少。然而在高分辨β谱技术基础上发展起来的电子能谱学受到广泛重视,应用于原子的外层电子、甚至化合物、固体以及表面能谱研究。

进行β谱测量的设备。β谱仪按其测量β谱的方法基本上可分为两类,一类是利用β粒子在探测器中形成的脉冲高度分布,另一类是利用电磁场对动量或能量不同的β粒子的不同聚焦作用。β谱仪有两个基本指标,β谱仪的透射率和分辨率。

放射源向全空间 (4π 球面度)射出的β射线中只有一小部分进入β谱仪的入口;进入β谱仪的β射线受到谱仪调节装置的限制、聚焦不完备和探测效率等因素的影响,使最后所记录下来的β射线强度更小。β谱仪的接受部分所记录下来的射线强度占原来从放射源向全空间发射的总强度的百分比称为β谱仪的透射率。

图1表明从原子核放射出来的单一能量(或动量)的β粒子的理想谱形。而实际的放射源有一定的大小和厚度,就引起一定能量的β粒子的能量分散。此外,对于利用脉冲高度分布的谱仪,还有脉冲的形成的统计涨落,电子学线路的噪声等因素的影响,对于电磁场聚焦的谱仪,还有聚焦不完善这一重要因素的影响,使得从放射源中放射性原子核放射出来的单一能量的β粒子束的β谱将呈现图1b那种峰形。在峰的顶点高度一半处的全宽度称为半高宽度,半高宽度和峰顶位置E0之比称为β谱仪的分辨率,用百分比表示,是一无量纲的数值。很明显,谱仪的透射率越大越好,谱仪的分辨率越小越好。习惯上,谱仪分辨率越小,就说成是分辨率越高。

利用脉冲高度分布的β谱仪  这类β谱仪测定β射线在探测器例如闪烁体(见闪烁计数器)或半导体探测器中形成的脉冲的高度分布。在一定的能量范围内,这种高度分布是同β粒子的能量分布成比例的。这种谱仪用闪烁体时分辨率大致为百分之十,使用低温下工作的Si(Li)探测器,在几千电子伏能量处分辨率也为百分之几。这种谱仪虽然分辨率不高,但使用比较方便,可以利用多道分析器收集数据(见核物理实验多参量数据获取),效率很高。此外,这种谱仪的透射率一般较高。

磁聚焦β谱仪,简称β磁谱仪,是另一类β谱仪。在β谱的高能部分中β粒子的速度接近光速,单用电场聚焦性能不好,常见的β谱仪是以磁聚焦为主的。磁聚焦谱仪大致可以分为两种。一种是纵向聚焦磁谱仪,谱仪中β粒子的运动轨道大致同磁场方向平行,如磁透镜β谱仪。这种谱仪的透射率较高,分辨率较差,它们的数值都在百分之一左右。另一种是横向聚焦磁谱仪,谱仪中β粒子的运动轨道大致同磁场方向垂直。这种谱仪的透射率很低,但是分辨率较好。后来研制的双聚焦(在磁场的径向和轴向都聚焦)β谱仪,分辨率和透射率都有很好的改进。如果放射源的大小合适,这种β谱仪的透射率大致在百分之零点一左右,而分辨率可以小于百分之零点一。

以动量或能量为横坐标,相应的β粒子强度为纵坐标,可以把β谱仪收集到的数据画成如图2所示的能谱曲线。曲线中高能端点的横坐标是β谱的最大动量或能量,事实上这也就是β衰变所放出的总能量。曲线上的两个小峰是由于内转换电子(见γ跃迁)所形成的。为了便于物理上的处理和理解,一般都把β 谱数据画成图3所表示的那种费密-居里图。用这种方法表示实验结果的图称为居里(Kurie)描绘。纵坐标为

图2,其中pI(p)为β粒子动量和单位动量间隔中的 β粒子数,F是库仑改正因子。

如果β衰变中出现的中微子的质量为零,最简单的β谱(如单个成分的容许跃迁β谱)的居里描绘是一条直线。直线在横坐标轴上的截点给出能量的最大值。在一般情况下,β衰变往往由母核的基态衰变到子核的几个不同的能态,这时就会发出最大能量不同的β谱称为复杂β谱,它的费密-居里图是一种叠加图形,除靠近高能端的一小段外,它将偏离直线,需要通过居里描绘来分解开。有些类型β衰变的β谱,作居里描绘时,要引入改正因子才能得到一条直线。通过这些改正因子同理论的比较,可以定出禁戒跃迁的级次。

如果β衰变中出现的中微子的质量不是零,最简单的费密-居里图也将对直线有微小的偏离。通过β谱的测定,有可能确定这种中微子的质量。中微子的质量同宇宙论以及基本粒子间相互作用都有密切关系,人们对这一问题感到极大兴趣。

根据费密-居里图所得到的β谱的数据,再同伴随β衰变放射的γ射线的研究相结合,就能对原子核能级有较好的了解。

随着大量人工放射性核素的出现,在20世纪50年代β射线能谱学曾盛极一时。60年代后,由于适合这方面研究的核素已不太多,研究工作大为减少。可是由于高分辨率β谱仪的应用,1964年发现了原子内层电子的化学位移(同一元素的原子内层电子结合能随元素的不同化合状态而有所差异),因此在β射线能谱技术上发展起来的电子能谱学受到化学家的广泛重视(见电子顺磁共振)。而且这一技术也可以应用到原子的外层电子,甚至化合物、固体以及它们表面上的电子能谱的研究。

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