γ躍遷

又稱γ衰變，原子核通過發射γ光子(或稱γ射線)從激發態躍遷到較低能態的過程。γ躍遷的性質與躍遷前後能級的性質有關，通過對它的研究，可以了解原子核能級特性及原子核反應機制。

基本介紹

• 中文名：γ躍遷
• 又稱：γ衰變
• 簡介：發射γ光子從激發態躍遷到低能態
• 用途：了解原子核能級特性

簡介

γ躍遷

γ-transition

原子核通過自發電磁過程從激發態躍遷到較低能態釋放其過剩能量的核衰變過程。又稱γ衰變。γ躍遷時，核的成分不變，即核的電荷數和質量數不變。γ躍遷的方式分γ發射和內電子轉換。

①γ發射。γ躍遷過程中發射γ光子，γ光子的能量等於躍遷前後核能級能量差，在千電子伏特（keV）到兆電子伏特（MeV）之間，相應的波長在X射線之下。γ發射是電磁作用過程，核內電荷分布和電流分布發生變化，電荷分布由電偶極矩，電四極矩等描述，電流分布由磁偶極矩、磁四極矩等描述。γ發射具有多極性，通常用E1、E2、E3表示電多極躍遷，用M1、M2、M3表示磁多極躍遷。γ發射過程遵從能量守恆、角動量守恆、宇稱守恆。根據這些守恆定律可得出核能級γ發射的選擇定則，從而根據已知躍遷的多極性和始末態中一個能級的自旋和宇稱，可推出只一能級的自旋和宇稱，這是核譜學的一項重要工作。

②內電子轉換。原子核內的非輻射躍遷。不穩定核從高能態躍遷到低能態時不發射γ光子，而是通過原子核的電磁場同內層電子相互作用，直接把躍遷能量交給內層電子，造成內層電子發射。依照來自K、L、M等不同殼層發射電子，相應稱為 K、L、M等轉換。內轉換對重核的低能級顯得很重要。當核激發能超過一對電子的靜能2mec2約為1.02MeV時，可內轉換放出一對正負電子。

發生γ躍遷的不穩定核常常是a衰變或β衰變的產物，有的是其他核反應過程的產物。γ躍遷的半衰期相對說來比α衰變或β衰變要短得多。

γ躍遷的多極性

指γ躍遷的電磁性質和輻射的多極級，是γ躍遷的重要特性之一。通常用符號E 表示電躍遷，用符號 M表示磁躍遷。當輻射帶走的角動量為L媡時，其多極次為2L，L是角動量量子數，h為普朗克常數。如L=1的輻射稱為偶極輻射，L=2的輻射稱為四極輻射，L=3的輻射稱為八極輻射，其餘類推。符號E1、E2、E3等分別表示電偶極輻射、電四極輻射、電八極輻射等；符號M1、M2、M3等分別表示磁偶極輻射、磁四極輻射、磁八極輻射等。

輻射帶走的宇稱和角動量量子數的奇偶性相同的為電多極輻射，相反的為磁多極輻射。因此，電多極輻射的宇稱為(-1)L，磁多極輻射的宇稱為(-1)L+1。 　由輻射的角動量和宇稱可定出γ躍遷的多極性，反之亦然。研究γ躍遷的重要任務之一是從實驗定出γ躍遷的多極性，以檢驗理論的正確性。

γ躍遷幾率

指單位時間內發生γ衰變的幾率，是γ躍遷的又一重要性質。

由多極輻射理論，可以得到電2L極輻射的躍遷幾率λE(L)和磁2L極輻射的躍遷幾率λM(L)的公式如下

其中B(EL)和B(ML)分別是EL躍遷和ML 躍遷的約化躍遷幾率，k是γ光子的波數，它與γ光

公式

子能量Eγ的關係是： 。

公式

由上面公式可見，躍遷能量越大，γ躍遷幾率也越大。

實驗上可以通過測量γ衰變的半衰期或平均壽命求得γ躍遷幾率，以便和理論進行比較。

γ躍遷的選擇定則

根據角動量守恆定律，對於自旋為Ii宇稱為 πi的始態到自旋為If宇稱為πf的末態的γ躍遷，光子帶走的角動量量子數L可以取下列數值：

。

公式

根據宇稱守恆定律，光子帶走的宇稱πγ由下式決定

。

公式

另外,關於躍遷幾率數量級的比較,有下面三點結論：①同級的電躍遷幾率大於磁躍遷幾率；②多極級越低，躍遷幾率越大；③一般講,磁2L極的躍遷幾率與電2L+1極的躍遷幾率有相同的數量級。 　由上述角動量守恆和宇稱守恆的討論以及躍遷幾率數量級的比較,可以得出始態(Ii，πi)到末態(If，πf)的躍遷選擇定則，如表所示。表中ΔI和Δπ分別表示始末態自旋角動量和宇稱的變化，括弧內的躍遷多極性表示有可能與括弧前的躍遷同時出現。 根據躍遷選擇定則，可以從始末態的自旋和宇稱定出幾率最大的躍遷多極性。例如，2+→0+躍遷的多極性為E2，4-→2+躍遷的多極性為M2(E3)。 γ躍遷

如果已知躍遷的多極性和始末態中一個能級的自旋和宇稱，由選擇定則可以推出另一能級的自旋和宇稱。不過這樣定出的能級自旋一般有兩種或三種可能值，需配合其他數據以後，才能肯定其中之一。由實驗測得的躍遷多極性推出能級的自旋和宇稱，是核譜學的一項重要內容。

另外，如果核初始處於比較高的激發態，由角動量守恆和宇稱守恆的討論及躍遷幾率數量級的比較，可知道它往往不能直接躍遷到基態，而要經過一系列的中間態間躍遷，這種多次相聯的γ躍遷稱為級聯γ躍遷。

內轉換

同發出γ光子相競爭，原子核從始態躍遷到末態時不發出γ光子，而是通過原子核的電磁場同內殼層電子相互作用,直接把躍遷能量交給內殼層電子,使其發射出來，這種退激過程叫內轉換過程，發出的電子叫內轉換電子。依照發出電子束自K、L、M等殼層,相應稱為K、L、M等轉換。

內轉換電子的能量E=Eγ-Be,其中Eγ為核的躍遷能量，Be為該電子的結合能。

在相同始末態之間的躍遷,發出第L殼層內轉換電子的幾率λe(L)與發出γ射線的幾率λγ之比，定義為該殼層內轉換係數α(L)

。

公式

如K殼層內轉換係數 。

　總的內轉換係數α為各殼層內轉換係數之和

公式

α=α(K)+α(L)+α(M)+…。

理論分析表明,內轉換係數基本上只同躍遷能量、核電荷數Z、躍遷多極性以及內轉換電子所在殼層有關,而同核波函式相關的矩陣元無關，因而可以對它進行比較精確的計算。大致說來，Z增大，α增加很快；隨著躍遷能量增加,α減小；L大，α也大。因此內轉換對重原子核的低能級顯得很重要。通過對內轉換係數的測量，可以很好地定出躍遷的多極性，從而確定有關能級的自旋和宇稱。