β衰變

β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]

β^-衰變（Beta-minus decay）示意圖

歷史

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。

1957年，美籍華裔物理學家吳健雄用鈷-60的β衰變實驗證明了在弱相互作用中的宇稱不守恆。

概念

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]

β-衰變

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：

A
ZX
→ A
Z+1Y
+
e−
+
ν
e^[4]

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：

14
6C
→ 14
7N
+
e−
+
ν
e

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：

n
→
p
+
e−
+
ν
e^[3]

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。

d
→
u
+
e−
+
ν
e

β+衰變

主條目：正電子發射

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：

A
ZX
→ A
Z−1Y
+
e+
+
ν
e^[4]

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：

22
11Na
→ 22
10Ne
+
e+
+
ν
e

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：

p → n +
e+
+
ν
e^[4][3]

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（2m_e，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。

u
→
d
+
e+
+
ν
e

電子捕獲β衰變

主條目：電子捕獲

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：

A
ZX
+
e−
→ A
Z−1Y
+
ν
e^[3]

例如氪-81衰變為溴-81的過程可以下式表示：

81
36Kr
+
e−
→ 81
35Br
+
ν
e

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（2m_e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

主條目：雙β衰變

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]

參閱

• β粒子
• α衰變
• γ衰變
• 射線電池
• 氚管，一種利用β衰變驅動的螢光燈。

參考文獻

1. 葉錫溶 蔡長書. 放射化學（第二版）. 台灣台北縣: 新文京開發出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（臺灣））.
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. 五南圖書出版股份有限公司. 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. （原始內容存檔於2022-01-20）.

連結

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