β衰變，是指原子核自發(fā)地放射出β粒子或俘獲一個軌道電子而發(fā)生的轉變。β衰變的半衰期大致分布在s~a的范圍內(nèi)，發(fā)射出粒子的能量最大為幾兆電子伏。β衰變在重核范圍內(nèi)能發(fā)生，在全部周期表的范圍內(nèi)都存在β放射性核素。原子核衰變時，放出電子的過程稱為β?衰變；放出正電子的過程稱為β?衰變。另外，還有一種β衰變過程，即原子核從核外的電子殼中俘獲一個軌道電子，這叫做軌道電子俘獲。
β衰變可發(fā)生于多種核素；β衰變可以單獨發(fā)生，也可以與其他衰變伴行；β?衰變的半衰期分布在10秒到10年的范圍內(nèi)；發(fā)射出的粒子能量最大為幾兆電子伏。核素β衰變放出一個電子的同時還放出一個靜質量為零、自旋為1/2的中性粒子(即中微子)，衰變釋放的能量隨機分配給電子和中微子，因此β射線能量并非確定值，而是連續(xù)能量譜。
核素β衰變是核醫(yī)學應用最早的衰變方式，可以用于顯像、照射治療等。
介紹
β衰變
β衰變的半衰期分布在接近10秒到10年的范圍內(nèi)，發(fā)射出粒子的能量最大為幾兆電子伏。β衰變不僅在重核范圍內(nèi)發(fā)生，在全部元素周期表范圍內(nèi)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(fā)生下列三種類型的變化：
(β 衰變)
(β 衰變)
(EC)
式中X和Y分別代表母核和子核；A和Z是母核質量數(shù)和電荷數(shù)；
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
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于缺少一個內(nèi)層電子而處于激發(fā)態(tài)，可通過散逸層電子躍遷發(fā)射X射線標識譜或發(fā)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(fā)現(xiàn)，放出的電子能 量從零到 Qβ- 連續(xù)分布，曾困惑物理學家多年。
1930年W.E.沃爾夫岡·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，該粒子后來被稱為中微子，1952年以后被實驗確鑿證實。
β衰變屬于弱相互作用。1956 年李政道和楊振寧提出弱相互作用過程宇稱不守恒定律，第二年吳健雄等人利用極化核 Co的β衰變實驗首次證實了宇稱不守恒。這一發(fā)現(xiàn)不僅促進了β衰變本身的研究，也促進了粒子物理的發(fā)展。
發(fā)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?yōu)榱硪环N核的過程。1896年，安東尼·貝克勒爾（A. H. Becquerel）發(fā)現(xiàn)的放射性；1897年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（E. Rutherford）和約瑟夫·湯姆遜（J. J. Thomson）通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉，發(fā)現(xiàn)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(fā)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(nèi)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(nèi)的一個中子轉變?yōu)橘|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粒子后，它的質量只略微減少。
衰變規(guī)律
新核的質量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1，新核在元素周期表中的位置要向后移一位。β衰變中放出的電子能量是連續(xù)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恒定律。
原理
三種類型
β衰變中，原子核發(fā)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(shù)和質子數(shù),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，由于缺少了一個內(nèi)層電子，原子處于激發(fā)狀態(tài)，它可以通過不同方式退激。對于K俘獲，當L層電子跳到K層填充空位，可以發(fā)射標識X射線，或稱特征X 射線。它的能量是 K層和L層電子的結合能之差 ；當L層電子跳到K層空位時，也可以不發(fā)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 。軌道電子俘獲總伴隨有標識X射線或俄歇電子的產(chǎn)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(xù)分布的。為了解釋這一現(xiàn)象，1930年，W.沃爾夫岡·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(tài)，它們之間的相互轉變，相當于核子從一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài)，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(tài)之間躍遷的產(chǎn)物，事先并不存在于核內(nèi)。所以，引起β衰變的是電子中微子場同原子核的相互作用，這種作用屬于弱相互作用。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(jù)量子力學的微擾論，費密理論給出單位時間發(fā)射動量在 p到 間β粒子的幾率為, (1)
式中 g是弱相互作用常數(shù), Mif是躍遷矩陣元，啚是普朗克常數(shù) h除以2 π, F( Z， E)是庫侖改正因子，它描述核的庫侖場對發(fā)射β粒子的影響，是子核電荷數(shù) Z和β粒子能量 E的函數(shù)。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(jù)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(shù)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：對于允許躍遷，自旋變化,宇稱變化 ；對于一級禁戒躍遷，；對于二級以上的如 n級禁戒躍遷，
β衰變的瑪麗·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(shù)。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，也可用來分解復雜的β譜。對于禁戒躍遷， Mif往往不是常數(shù)，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)對瑪麗·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(shù)。此時式(2)可寫成
,改正后的居里描繪取
對 E作圖，仍是一條直線。 Sn( E)由理論可以計算。因而，通過理論同實驗的比較，可決定 Sn( E)，從而可以定出禁戒躍遷級次 n。
薩晉關系
通過對β粒子動量分布式(1)的積分，假定躍遷矩陣元 Mif同β粒子能量的關系可以忽略，便得到β衰變常數(shù)λ或半衰期。,(3)
式中 稱為費密積分函數(shù)。 pm為電子的最大動量。
當β粒子的最大能量遠大于它的靜止能量，并且可以忽略核的庫侖場對發(fā)射β粒子的影響時，
從而可得關系。
這一關系稱為薩晉關系，它表示β衰變常數(shù)（或半衰期）隨β粒子的最大能量 Em的變化而劇烈地變化。
由薩晉關系可見，僅僅以半衰期（或衰變常數(shù)）的大小不能反映β躍遷的級次。
因此需要引入比較半衰期。由于值與成反比，而的大小對不同級次的躍遷有很大差別，從而 值可用來比較躍遷的
級次。這就是稱為比較半衰期的由來。
實驗測得的各級躍遷的值大致范圍如下：躍遷級次
容 許 一級禁戒 二級禁戒
三級禁戒
衰變中的宇稱不守恒
在β衰變的研究中的一個重要的突破是1956年李政道和楊振寧提出的弱相互作用中的宇稱不守恒，第二年吳健雄等人利用極化核鈷的β衰變實驗首次證實了宇稱不守恒，這一發(fā)現(xiàn)不僅促進了β衰變本身的研究，也促進了粒子物理學的發(fā)展。
雙重β衰變
雙重β衰變，亦作ββ衰變，是β衰變的一個特例，包含原子核內(nèi)兩個單位的轉變，只發(fā)生于特定的原子核。雙重β衰變正常來說會放出兩對中微子，但現(xiàn)時有科學家猜想是否有可能發(fā)現(xiàn)不放出中微子的雙重β衰變，稱為“無中微子雙β衰變”。物理學者尚未能驗證此程序存在，推長半衰期下限至10年。
參考資料 >