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β衰變,又稱貝塔衰變,是一種放射性衰變,為原子核內核子種類的轉換過程。放射性核種發生β衰變時,原子核會放出β粒子(即電子或正電子)和微中子,且衰變後原子的質量數不變,但原子序及中子數會發生改變。[1]β衰變根據其衰變過程、釋出的輻射和衰變產物的不同,可分為「負β衰變」和「正β衰變」兩種。此外,電子俘獲有時也被視為β衰變的一種。[2][3]
1896年,亨利·貝克勒發現鈾的放射性;1897年,歐內斯特·盧瑟福和約瑟夫·湯姆生通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉,發現鈾的放射線有帶正電,帶負電和不帶電三種,分別被稱為α射線,β射線和γ射線,相應的發出β射線衰變過程也就被命名為β衰變。
β衰變可分為三種類型:放出電子的稱為「負β衰變」(β-衰變),放出正電子的稱為「正β衰變」(β+衰變),以及吸收電子的逆β衰變。在負β衰變中,核內的一個中子轉變為質子,同時釋放一個電子和一個反電微中子;在正β衰變中,核內的一個質子轉變成中子,同時釋放一個正電子和一個電微中子。[4]此外電子捕獲也是β衰變的一種,稱為「電子捕獲β衰變」或「逆β衰變」。
由於β衰變前後,原子核的質量數沒有發生變化,因此β衰變的母核及子核互為同量素。
因為β粒子就是電子,而電子的質量遠小於原子核的質量,所以一個原子核放出一個β粒子後,它的質量只略為減少。β衰變中放出的β粒子能量是連續分佈的,但對每一種衰變方式有一個最大的限度,可達幾百萬電子伏特以上,這部分能量由微中子帶走。[1]
在β-衰變中,弱相互作用使得原子核內的一個中子轉變為質子,同時放出一個電子(
e−
)和一個反電微中子(
ν
e)。衰變產生的子核之質量數(A)不變,但原子序(Z)增加了1個單位。其通式如下:
大部分擁有過量中子的放射性核種都以β-衰變模式進行衰變。[5]例如碳-14衰變為氮-14的過程可以下式表示:
另一個例子是自由中子(1
0n
)衰變成質子(
p
),反應過程如下式所示:
從夸克的尺度來看,下夸克(
d
)經由放出一個W−玻色子而變成上夸克(
u
),使中子(一個上夸克和兩個下夸克)變成質子(兩個上夸克和一個下夸克)。放出的W−玻色子則衰變為一個電子和一個反電微中子。
在β+衰變中,弱相互作用使得原子核內的一個質子轉變成中子,同時放出一個正電子(
e+
)和一個電微中子(
ν
e),因此β+衰變也稱作「正電子發射」。衰變產生的子核之質量數(A)不變,但原子序(Z)會減少1個單位。[1]其通式如下:
β+衰變通常發生在擁有過量質子的不穩定原子核中。例如鈉-22衰變為氖-22的過程可以下式表示:
β+衰變可以視為原子核內的質子(
p
)衰變成中子(
n
),如下式所示:
然而,單獨的質子並不能發生β+衰變,因為中子的質量大於質子,需要能量才能進行轉變。只有當母核的原子質量較子核多出2個電子的靜止質量(2me,能量當量為1.022MeV)以上,也就是轉變能量大於1.022MeV時,母核才能夠進行β+衰變。[1][3]
β+衰變的過程與β-衰變相反:上夸克(
u
)經由放出一個W+玻色子而變成下夸克(
d
),使質子(兩個上夸克和一個下夸克)變成中子(一個上夸克和兩個下夸克)。放出的W+玻色子則衰變為一個正電子和一個電微中子。
電子捕獲是原子核內的一個質子捕獲一個內層軌道上的電子(使該質子轉變成中子)、並同時放出一個電微中子(
ν
e)的衰變過程。衰變產生的子核之質量數(A)不變,但原子序(Z)會減少1個單位。[1]其通式如下:
能發生β+衰變的原子核也可能發生電子捕獲。然而,如果母核與子核的能量差小於1.022MeV(2me之能量當量),將無法發生β+衰變,此時電子捕獲為該富質子核種唯一能進行的衰變模式。[1][6]
雙β衰變,亦作ββ衰變,是一種特殊的β衰變,包含原子核內兩個核子單位的轉變。科學家很難對雙β衰變進行研究,因為該過程的半衰期極長,且只發生於特定的核種。對於那些理論上單β衰變和雙β衰變都可能發生的放射性核種,基本上不可能觀察到它們發生雙β衰變的過程。然而,有些核種雖然不發生單β衰變,卻有機會發生雙β衰變,科學家得以藉此觀測到該過程並測量半衰期。[7]因此,雙β衰變的研究通常僅針對不發生單β衰變的核種進行。與單β衰變一樣,雙β衰變不會改變質量數,因此任何給定質量數的核種中都至少有一種對於單β衰變和雙β衰變皆是穩定的。
雙β衰變正常來說會放出兩個β粒子和兩個微中子,但現時有科學家猜想如果放射出的微中子是馬約拉納粒子(意思是反微中子和微中子實際上是同一種粒子),且至少一種微中子的質量非零(已由微中子振蕩實驗確立),則「無微中子雙β衰變」有可能發生。物理學者至今尚未能驗證此程序存在,推測半衰期下限至少長達1025年。[8]
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