β-衰变

物理现象

β-衰变是一种物理现象，由于电子相对过剩，导致一个中子转化为质子而放出β 射线的衰变，其结果原子核将后移一位。

定义

原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。放出电子的衰变过程称为β-衰变；放出正电的衰变过程称为β+衰变;原子核从核外电子壳层中俘获一个轨道电子的衰变过程称为轨道电子俘获，俘获K层电子叫K俘获，俘获L层的叫L俘获，其余类推。通常，K俘获的几率量大。在β衰变中，原子核的质量数不变，只是电荷数改变了一个单位。

外电子俘获也是β衰变的一种，称为电子俘获β衰变。因为β粒子就是电子，而电子的质量比起核的质量来要小很多，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衰变的规律是新核的质量数不变，电荷数增加。

新核在元素周期表中的位置要向后移一位。β衰变中放出的电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，可达几兆电子伏特以上，这部分能量由中微子带走。1957年，吴健雄博士用钴-60的β衰变实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒。

原理

β衰变中，原子核发生下列三种类型的变化：

其中X和Y分别表示母核和子核，A和Z为母核的质量数和质子数,e和e为电子和正电子，v和堸为中微子和反中微子。β衰变能分别表示为β衰变其中mx和my为母核原子和子核原子的静止质量,me为电子的静止质量，Wi为轨道电子结合能，с为光速。轨道电子俘获过程所形成的子核原子，由于缺少了一个内层电子，原子处于激发状态，它可以通过不同方式退激。对于K俘获，当L层电子跳到K层填充空位,可以发射标识X射线，或称特征X射线。它的能量是K层和L层电子的结合能之差hv=Wk-WL；当L层电子跳到K层空位时，也可以不发射标识X射线，而把能量交给另一个L层电子，使其克服结合能而飞出，这种电子称为俄歇电子,它的动能Ee=hv-WL=Wk-2WL。轨道电子俘获总伴随有标识X射线或俄歇电子的产生。β衰变的电子中微子理论β衰变中放出的β粒子的能量是从连续分布的。为了解释这一现象，1930年，W.泡利提出了β衰变放出中性微粒的假说。1933年，E.费密在此基础上提出了β衰变的电子中微子理论。这个理论认为：中子和质子可以看作是同一种粒子（核子）的两个不同的量子状态，它们之间的相互转变，相当于核子从一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中放出电子和中微子。β粒子是核子的不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于核内。所以,引起β衰变的是电子-中微子场同原子核的相互作用，这种作用属于弱相互作用。这个理论成功地解释了β谱的形状，给出了β衰变的定量的描述。β跃迁几率根据量子力学的微扰论，费密理论给出单位时间发射动量在p到p+dp间β粒子的几率为β衰变,(1)式中g是弱相互作用常数,Mif是跃迁矩阵元,啚是普朗克常数h除以2π,F(Z，E)是库仑改正因子，描述核的库仑场对发射β粒子的影响,是子核电荷数Z和β粒子能量E的函数。跃迁几率的大小主要由跃迁矩阵元|Mif|的大小决定。β跃迁分类根据跃迁矩阵元的大小，可将β跃迁分为描绘在β衰变的研究中,常将式(1)改写容许跃迁、一级禁戒跃迁、二级禁戒跃迁等。级次越高，跃迁几率越小；相邻两级间，几率可以相差几个数量级。费密理论给出β衰变对母核同子核间的自旋和宇称变化的选择定则:对于允许跃迁,自旋变化|ΔI|=0,1,宇称变化Δπ=+1；对于一级禁戒跃迁，|ΔI|=0，1，2，Δπ=－1；对于二级以上的如n级禁戒跃迁，|ΔI|=n，n+1，Δπ=(－1)。

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