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
(重定向自Β衰變

β衰變,是一種放射性衰變,為原子核核子種類的轉換過程。放射性核素發生β衰變時,原子核會放出β粒子(即電子正電子)和微中子,且衰變後原子的質量數不變,但原子序中子數會發生改變。[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“负β衰变”和“正β衰变”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

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1896年,亨利·贝克勒发现放射性;1897年,欧内斯特·卢瑟福约瑟夫·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,美籍華裔物理學家吴健雄钴-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衰變可分為三種類型:放出电子的称为“负β衰变”(β-衰變),放出正电子的称为“正β衰变”(β+衰變),以及吸收電子的逆β衰變。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電中微子;在正β衰变中,核内的一个質子转变成中子,同时释放一个正电子和一个電微中子[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

因为β粒子就是电子,而电子的质量遠小於原子核的质量,所以一个原子核放出一个β粒子后,它的质量只略為減少。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
)和一个反電中微子
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
Z
X
A
Z+1
Y
+
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
6
C
14
7
N
+
e
+
ν
e

另一個例子是自由中子1
0
n
)衰變成質子(
p
),反應過程如下式所示:


n

p
+
e
+
ν
e
[3]

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+衰变

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在β+衰变中,弱交互作用使得原子核内的一个質子转变成中子,同时放出一个正电子
e+
)和一个電微中子
ν
e
),因此β+衰变也稱作“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
Z
X
A
Z−1
Y
+
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
11
Na
22
10
Ne
+
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(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。


u

d
+
e+
+
ν
e

电子俘获β衰变

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电子俘获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
Z
X
+
e
A
Z−1
Y
+
ν
e
[3]

例如氪-81衰變為溴-81的過程可以下式表示:

81
36
Kr
+
e
81
35
Br
+
ν
e

能發生β+衰變的原子核也可能發生电子俘获。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,此時电子俘获為該富質子核種唯一能進行的衰變模式。[1][6]

雙β衰變

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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素。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素,基本上不可能觀察到它們發生雙β衰變的過程。然而,有些核素雖然不發生單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衰變的核素進行。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素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(已由中微子振蕩實驗確立),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

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參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 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. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 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. ^ 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). 

連結

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