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β衰变

原子核自发耗散其过剩能量使核电荷改变一个单位而质量数不改变的核衰变过程

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）和中微子，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

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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·汤姆森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

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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中微子。[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异位素。

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

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在β-衰变中，弱相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素都以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，d夸克（
d
）经由放出一个W−玻色子而变成u夸克（
u
），使中子（一个u夸克和两个d夸克）变成质子（两个u夸克和一个d夸克）。放出的W−玻色子则衰变为一个电子和一个反电中微子。


d
 →
u
 +
e−
 +
ν
e

β+衰变

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主条目：正电子发射

在β+衰变中，弱相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+
）和一个电中微子（
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（2me，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：u夸克（
u
）经由放出一个W+玻色子而变成d夸克（
d
），使质子（两个u夸克和一个d夸克）变成中子（一个u夸克和两个d夸克）。放出的W+玻色子则衰变为一个正电子和一个电中微子。


u
 →
d
 +
e+
 +
ν
e

电子俘获β衰变

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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）、并同时放出一个电中微子（
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（2me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素唯一能进行的衰变模式。[1][6]

双β衰变

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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粒子和两个中微子，但现时有科学家猜想如果放射出的中微子是马约拉纳粒子（意思是反中微子和中微子实际上是同一种粒子），且至少一种中微子的质量非零（已由中微子振荡实验确立），则“无中微子双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

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参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 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. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 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. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 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

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