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β衰变

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β-衰变(Beta-minus decay)示意图

β衰变,是一种放射性衰变,为原子核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(即电子正电子)和中微子,且衰变后原子的质量数不变,但原子序中子数会发生改变。[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]

历史

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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,美籍华裔物理学家吴健雄钴-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
Z
X
A
Z+1
Y
+
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
6
C
14
7
N
+
e
+
ν
e

另一个例子是自由中子1
0
n
)衰变成质子(
p
),反应过程如下式所示:


n

p
+
e
+
ν
e
[3]

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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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
Z
X
A
Z−1
Y
+
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
11
Na
22
10
Ne
+
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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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
Z
X
+
e
A
Z−1
Y
+
ν
e
[3]

例如氪-81衰变为溴-81的过程可以下式表示:

81
36
Kr
+
e
81
35
Br
+
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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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可免费查阅. 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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