β衰變:介紹,發展,衰變規律,原理,雙重β衰變,

原子核自發地放射出β粒子或俘獲一個軌道電子而發生的轉變。放出電子的衰變過程稱為β^-衰變；放出正電子的衰變過程稱為β⁺衰變；原子核從核外電子殼層中俘獲一個軌道電子的衰變過程稱為軌道電子俘獲。

俘獲K層電子叫K俘獲，俘獲L層的叫L俘獲，其餘類推。通常，K俘獲的幾率最大。在 β衰變中，原子核的質量數不變，只是電荷數改變了一個單位。

基本介紹

中文名：β衰變
外文名：β-decay
提出者：泡利
提出時間：1930
套用學科：物理學
適用領域範圍：原子物理

介紹,發展,衰變規律,原理,雙重β衰變,

介紹

β衰變

β-decay

β衰變的半衰期分布在接近10秒到10年的範圍內，發射出粒子的能量最大為幾兆電子伏。β衰變不僅在重核範圍內發生，在全部元素周期表範圍內都存在β放射性核素。因此，對β衰變的研究比α衰變的研究更重要。

β衰變中，原子核發生下列三種類型的變化：

X→ Y+e^-+-ve(β^-衰變)

X→ Y+e⁺+ve(β⁺衰變)

X+e^-→ Y+ve(EC)

式中X和Y分別代表母核和子核；A和Z是母核質量數和電荷數；

e^-、e⁺為電子和正電子，-ve、ve為反電子中微子和電子中微子。

三種類型釋放的衰變能分別為

Qβ-=(mx－mY)c^2

Qβ+=(mx－mY－2me)c^2，

QEC=(mx－mY)c^2－wi

式中mX、mY分別為母核原子和子核原子的靜質量；me為電子靜質量；wi為軌道電子結合能；c為真空光速。

軌道電子俘獲可俘獲K層電子，稱為K俘獲；也可以俘獲L層電子，稱為L俘獲。軌道電子俘獲所形成的子核原子於缺少一個內層電子而處於激發態，可通過外層電子躍遷發射X射線標識譜或發射俄歇電子而退激。最初以為β-連衰變僅放出電子，實際測量發現，放出的電子能量從零到 Qβ- 連續分布，曾困惑物理學家多年。

1930年W.E.泡利提出β-衰變放出e-的同時還放出一個靜質量為零、自旋為1/2的中性粒子，衰變能為電子和該粒子分享，該粒子後來被稱為中微子，1952年以後被實驗確鑿證實。

β衰變屬於弱相互作用。1956 年李政道和楊振寧提出弱相互作用過程宇稱不守恆，第二年吳健雄等人利用極化核⁶⁰Co的β衰變實驗首次證實了宇稱不守恆。這一發現不僅促進了β衰變本身的研究，也促進了粒子物理的發展。

發展

β衰變是放射性原子核放射電子（β粒子）和中微子而轉變為另一種核的過程。1896年，亨利·貝克勒（A. H. Becquerel）發現鈾的放射性；1897年，盧瑟福（E. Rutherford）和約瑟夫·湯姆孫（J. J. Thomson）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。

放出正電子的稱為“正β衰變”，放出電子的稱為“負β衰變”。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中微子；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中微子。此外電子俘獲也是β衰變的一種，稱為電子俘獲β衰變。

因為β粒子就是電子，而電子的質量比起核的質量來要小很多，所以一個原子核放出一個β粒子後，它的質量只略微減少。

衰變規律

新核的質量數不變，電荷數增加1，新核在元素周期表中的位置要向後移一位。β衰變中放出的電子能量是連續分布的，但對每一種衰變方式有一個最大的限度，可達幾兆電子伏特以上，這部分能量由中微子帶走。

1957年，吳健雄博士用鈷-60的β衰變實驗證明了在弱相互作用中的宇稱不守恆。

原理

三種類型

β衰變中，原子核發生下列三種類型的變化：

其中X和Y分別表示母核和子核，A和Z為母核的質量數和質子數,e^-和e⁺為電子和正電子，-v和v為反電子中微子和電子中微子。 β衰變能分別表示為

其中mx和my為母核原子和子核原子的靜止質量,me為電子的靜止質量，Wi為軌道電子結合能，с為光速。

軌道電子俘獲過程所形成的子核原子，由於缺少了一個內層電子，原子處於激髮狀態，它可以通過不同方式退激。對於K俘獲，當L層電子跳到K層填充空位,可以發射標識X射線，或稱特徵X 射線。它的能量是 K層和L層電子的結合能之差hv=Wk-WL；當L層電子跳到K層空位時，也可以不發射標識X射線，而把能量交給另一個L層電子，使其克服結合能而飛出，這種電子稱為俄歇電子,它的動能Ee=hv-WL=Wk-2WL。軌道電子俘獲總伴隨有標識X射線或俄歇電子的產生。

β衰變的電子中微子理論　β衰變中放出的β粒子的能量是從連續分布的。為了解釋這一現象，1930年，W.泡利提出了β衰變放出中性微粒的假說。1933年，E.費密在此基礎上提出了β衰變的電子中微子理論。這個理論認為：中子和質子可以看作是同一種粒子（核子）的兩個不同的量子狀態，它們之間的相互轉變，相當於核子從一個量子態躍遷到另一個量子態，在躍遷過程中放出電子和中微子。β粒子是核子的不同狀態之間躍遷的產物，事先並不存在於核內。所以,引起β衰變的是電子-中微子場同原子核的相互作用，這種作用屬於弱相互作用。這個理論成功地解釋了β譜的形狀，給出了β衰變的定量的描述。

β躍遷幾率　根據量子力學的微擾論，費密理論給出單位時間發射動量在p到p+dp間β粒子的幾率為, (1)

式中g是弱相互作用常數,Mif是躍遷矩陣元,啚是普朗克常數h除以2π,F(Z，E)是庫侖改正因子，它描述核的庫侖場對發射β粒子的影響,是子核電荷數Z和β粒子能量E的函式。躍遷幾率的大小主要由躍遷矩陣元|Mif|的大小決定。

β躍遷分類　根據躍遷矩陣元的大小，可將β躍遷分為容許躍遷、一級禁戒躍遷、二級禁戒躍遷等。級次越高，躍遷幾率越小；相鄰兩級間，幾率可以相差幾個數量級。

費密理論給出β衰變對母核同子核間的自旋和宇稱變化的選擇定則:對於允許躍遷,自旋變化|ΔI|=0,1,宇稱變化 Δπ=+1；對於一級禁戒躍遷，|ΔI|=0，1，2，Δπ=－1；對於二級以上的如n級禁戒躍遷，|ΔI|=n，n+1，Δπ=(－1)。

β衰變的居里描繪

在β衰變的研究中,常將式(1)改寫為, (2)式中。對容許躍遷,|Mif|與β粒子的能量無關，K為常數。此時若以為縱坐標,E為橫坐標作圖，則得一條直線。直線同橫軸的交點為β粒子的最大能量Em。這種圖稱為居里描繪,也稱費密-居里圖。這樣,居里描繪可用來精確地測定Em。此外,也可用來分解複雜的β譜。對於禁戒躍遷，Mif往往不是常數，則按式(2)作圖時不是一條直線。這時可引入一個同β粒子能量有關的因子Sn(E)對居里描繪進行改正,即把K中同能量有關的因子分出來，，使K┡為常數。此時式(2)可寫成