β衰变

β衰变，是一种放射性衰变，为原子核内核子种类的转换过程。放射性核素发生β衰变时，原子核会放出β粒子（即电子或正电子）和微中子，且衰变后原子的质量数不变，但原子序及中子数会发生改变。^[1]β衰变根据其衰变过程、释出的辐射和衰变产物的不同，可分为“负β衰变”和“正β衰变”两种。此外，电子俘获有时也被视为β衰变的一种。^[2][3]

β^-衰变（Beta-minus decay）示意图

历史

1896年，亨利·贝克勒发现铀的放射性；1897年，欧内斯特·卢瑟福和约瑟夫·汤姆孙通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现铀的放射线有带正电，带负电和不带电三种，分别被称为α射线，β射线和γ射线，相应的发出β射线衰变过程也就被命名为β衰变。

1957年，美籍华裔物理学家吴健雄用钴-60的β衰变实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒。

概念

β衰变可分为三种类型：放出电子的称为“负β衰变”（β^-衰变），放出正电子的称为“正β衰变”（β⁺衰变），以及吸收电子的逆β衰变。在负β衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反电中微子；在正β衰变中，核内的一个质子转变成中子，同时释放一个正电子和一个电微中子。^[4]此外电子俘获也是β衰变的一种，称为“电子俘获β衰变”或“逆β衰变”。

由于β衰变前后，原子核的质量数没有发生变化，因此β衰变的母核及子核互为同量素。

因为β粒子就是电子，而电子的质量远小于原子核的质量，所以一个原子核放出一个β粒子后，它的质量只略为减少。β衰变中放出的β粒子能量是连续分布的，但对每一种衰变方式有一个最大的限度，可达几百万电子伏特以上，这部分能量由中微子带走。^[1]

β-衰变

在β^-衰变中，弱交互作用使得原子核内的一个中子转变为质子，同时放出一个电子（
e−
）和一个反电中微子（
ν
e）。衰变产生的子核之质量数（A）不变，但原子序（Z）增加了1个单位。其通式如下：

A
ZX
→ A
Z+1Y
+
e−
+
ν
e^[4]

大部分拥有过量中子的放射性核种都以β^-衰变模式进行衰变。^[5]例如碳-14衰变为氮-14的过程可以下式表示：

14
6C
→ 14
7N
+
e−
+
ν
e

另一个例子是自由中子（1
0n
）衰变成质子（
p
），反应过程如下式所示：

n
→
p
+
e−
+
ν
e^[3]

从夸克的尺度来看，下夸克（
d
）经由放出一个W⁻玻色子而变成上夸克（
u
），使中子（一个上夸克和两个下夸克）变成质子（两个上夸克和一个下夸克）。放出的W⁻玻色子则衰变为一个电子和一个反电微中子。

d
→
u
+
e−
+
ν
e

β+衰变

主条目：正电子发射

在β⁺衰变中，弱交互作用使得原子核内的一个质子转变成中子，同时放出一个正电子（
e+
）和一个电微中子（
ν
e），因此β⁺衰变也称作“正电子发射”。衰变产生的子核之质量数（A）不变，但原子序（Z）会减少1个单位。^[1]其通式如下：

A
ZX
→ A
Z−1Y
+
e+
+
ν
e^[4]

β⁺衰变通常发生在拥有过量质子的不稳定原子核中。例如钠-22衰变为氖-22的过程可以下式表示：

22
11Na
→ 22
10Ne
+
e+
+
ν
e

β⁺衰变可以视为原子核内的质子（
p
）衰变成中子（
n
），如下式所示：

p → n +
e+
+
ν
e^[4][3]

然而，单独的质子并不能发生β⁺衰变，因为中子的质量大于质子，需要能量才能进行转变。只有当母核的原子质量较子核多出2个电子的静止质量（2m_e，能量当量为1.022MeV）以上，也就是转变能量大于1.022MeV时，母核才能够进行β⁺衰变。^[1][3]

β⁺衰变的过程与β^-衰变相反：上夸克（
u
）经由放出一个W⁺玻色子而变成下夸克（
d
），使质子（两个上夸克和一个下夸克）变成中子（一个上夸克和两个下夸克）。放出的W⁺玻色子则衰变为一个正电子和一个电微中子。

u
→
d
+
e+
+
ν
e

电子俘获β衰变

主条目：电子俘获

电子俘获是原子核内的一个质子捕获一个内层轨道上的电子（使该质子转变成中子）、并同时放出一个电微中子（
ν
e）的衰变过程。衰变产生的子核之质量数（A）不变，但原子序（Z）会减少1个单位。^[1]其通式如下：

A
ZX
+
e−
→ A
Z−1Y
+
ν
e^[3]

例如氪-81衰变为溴-81的过程可以下式表示：

81
36Kr
+
e−
→ 81
35Br
+
ν
e

能发生β⁺衰变的原子核也可能发生电子俘获。然而，如果母核与子核的能量差小于1.022MeV（2m_e之能量当量），将无法发生β⁺衰变，此时电子俘获为该富质子核种唯一能进行的衰变模式。^[1][6]

双β衰变

主条目：双β衰变

双β衰变，亦作ββ衰变，是一种特殊的β衰变，包含原子核内两个核子单位的转变。科学家很难对双β衰变进行研究，因为该过程的半衰期极长，且只发生于特定的核素。对于那些理论上单β衰变和双β衰变都可能发生的放射性核素，基本上不可能观察到它们发生双β衰变的过程。然而，有些核素虽然不发生单β衰变，却有机会发生双β衰变，科学家得以借此观测到该过程并测量半衰期。^[7]因此，双β衰变的研究通常仅针对不发生单β衰变的核素进行。与单β衰变一样，双β衰变不会改变质量数，因此任何给定质量数的核素中都至少有一种对于单β衰变和双β衰变皆是稳定的。

双β衰变正常来说会放出两个β粒子和两个微中子，但现时有科学家猜想如果放射出的微中子是马约拉纳粒子（意思是反微中子和微中子实际上是同一种粒子），且至少一种微中子的质量非零（已由中微子振荡实验确立），则“无微中子双β衰变”有可能发生。物理学者至今尚未能验证此程序存在，推测半衰期下限至少长达10²⁵年。^[8]

参阅

• β粒子
• α衰变
• γ衰变
• 射线电池
• 氚管，一种利用β衰变驱动的萤光灯。

参考文献

1. 叶锡溶 蔡长书. 放射化學（第二版）. 台湾台北县: 新文京开发出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（台湾））.
2. Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. An introduction to nuclear physics. Cambridge University Press. 1986: 40. ISBN 978-0-521-31960-7.
3. 魏明通. 核化學. 五南图书出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5.
4. Konya, Jozsef. Nuclear and Radiochemistry. Elsevier. 2012: 74. ISBN 9780123914873.
5. Loveland, W. D. Modern Nuclear Chemistry. Wiley. 2005: 232. ISBN 978-0471115328.
6. Zuber, K. Neutrino Physics 2nd. CRC Press. 2011: 466. ISBN 978-1420064711.
7. Bilenky, S. M. Neutrinoless double beta-decay. Physics of Particles and Nuclei. 2010, 41 (5): 690–715. Bibcode:2010PPN....41..690B. S2CID 55217197. arXiv:1001.1946 . doi:10.1134/S1063779610050035. hdl:10486/663891.
8. Barabash, A. S. Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research. Physics of Atomic Nuclei. 2011-04-01, 74 (4): 603–613 [2018-03-03]. ISSN 1063-7788. doi:10.1134/s1063778811030070. （原始内容存档于2022-01-20）.

连结

• The Live Chart of Nuclides - IAEA with filter on decay type