β衰變
β衰變，是一種放射性衰變，為原子核內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（即電子或正電子）和微中子，且衰變後原子的質量數不變，但原子序及中子數會發生改變。[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「負β衰變」和「正β衰變」兩種。此外，電子俘獲有時也被視為β衰變的一種。[2][3]
歷史
[編輯]1896年，亨利·貝克勒發現鈾的放射性；1897年，歐內斯特·盧瑟福和約瑟夫·湯姆孫通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉，發現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，相應的發出β射線衰變過程也就被命名為β衰變。
1957年，美籍華裔物理學家吳健雄用鈷-60的β衰變實驗證明了在弱相互作用中的宇稱不守恆。
概念
[編輯]β衰變可分為三種類型：放出電子的稱為「負β衰變」（β-衰變），放出正電子的稱為「正β衰變」（β+衰變），以及吸收電子的逆β衰變。在負β衰變中，核內的一個中子轉變為質子，同時釋放一個電子和一個反電中微子；在正β衰變中，核內的一個質子轉變成中子，同時釋放一個正電子和一個電微中子。[4]此外電子俘獲也是β衰變的一種，稱為「電子俘獲β衰變」或「逆β衰變」。
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。
因為β粒子就是電子，而電子的質量遠小於原子核的質量，所以一個原子核放出一個β粒子後，它的質量只略為減少。β衰變中放出的β粒子能量是連續分布的，但對每一種衰變方式有一個最大的限度，可達幾百萬電子伏特以上，這部分能量由中微子帶走。[1]
β-衰變
[編輯]在β-衰變中，弱交互作用使得原子核內的一個中子轉變為質子，同時放出一個電子（
e−
）和一個反電中微子（
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
ZX
→ A
Z+1Y
+
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
6C
→ 14
7N
+
e−
+
ν
e
另一個例子是自由中子（1
0n
）衰變成質子（
p
），反應過程如下式所示：
n
→
p
+
e−
+
ν
e[3]
從夸克的尺度來看，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+衰變
[編輯]在β+衰變中，弱交互作用使得原子核內的一個質子轉變成中子，同時放出一個正電子（
e+
）和一個電微中子（
ν
e），因此β+衰變也稱作「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
ZX
→ A
Z−1Y
+
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
11Na
→ 22
10Ne
+
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：
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
電子俘獲β衰變
[編輯]電子俘獲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
ZX
+
e−
→ A
Z−1Y
+
ν
e[3]
- 81
36Kr
+
e−
→ 81
35Br
+
ν
e
能發生β+衰變的原子核也可能發生電子俘獲。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，此時電子俘獲為該富質子核種唯一能進行的衰變模式。[1][6]
雙β衰變
[編輯]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
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ 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））.
- ^ Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. An introduction to nuclear physics. Cambridge University Press. 1986: 40. ISBN 978-0-521-31960-7.
- ^ 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.
- ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Konya, Jozsef. Nuclear and Radiochemistry. Elsevier. 2012: 74. ISBN 9780123914873.
- ^ Loveland, W. D. Modern Nuclear Chemistry. Wiley. 2005: 232. ISBN 978-0471115328.
- ^ Zuber, K. Neutrino Physics 2nd. CRC Press. 2011: 466. ISBN 978-1420064711.
- ^ 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.
- ^ 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. （原始內容存檔於2022-01-20）.
連結
[編輯]
The Live Chart of Nuclides - IAEA with filter on decay type
