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β衰变

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β-衰變(Beta-minus decay)示意圖

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]

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). 

連結

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