β射線能譜學

β射線能譜學

β-ray spectroscopy

原子核物理學的分支。一般將原子核β衰變所放射的β射線的動量或能量分佈稱為β射線能譜，簡稱β譜。β射線譜學研究β譜的測量，以及根據β譜研究原子核β衰變規律和原子核的特性，最早關於中微子存在的論證就是從β譜的連續分佈得出的。測量β譜的儀器稱為β譜儀，按照測量β譜方法上的不同，可分為兩類：一類是利用β射線在探測器(如閃爍計數器或半導體探測器)中形成脈衝的高度分佈，在一定能量範圍內它與β譜成正比；另一類是β磁譜儀，利用垂直方向的磁場使β射線束偏轉聚焦，按能量分佈區分開來。根據測量到的β譜數據，再結合伴隨β衰變放射的γ射線的研究，就能對原子核能級有較好的瞭解。

隨着大量人工放射性核素的出現，β射線譜學在20世紀50年代盛極一時，60年代以後，可做的研究工作已大為減少。然而在高分辨β譜技術基礎上發展起來的電子能譜學受到廣泛重視，應用於原子的外層電子、甚至化合物、固體以及表面能譜研究。

進行β譜測量的設備。β譜儀按其測量β譜的方法基本上可分為兩類，一類是利用β粒子在探測器中形成的脈衝高度分佈，另一類是利用電磁場對動量或能量不同的β粒子的不同聚焦作用。β譜儀有兩個基本指標，β譜儀的透射率和分辨率。

放射源向全空間 （4π 球面度）射出的β射線中只有一小部分進入β譜儀的入口；進入β譜儀的β射線受到譜儀調節裝置的限制、聚焦不完備和探測效率等因素的影響，使最後所記錄下來的β射線強度更小。β譜儀的接受部分所記錄下來的射線強度佔原來從放射源向全空間發射的總強度的百分比稱為β譜儀的透射率。

圖1表明從原子核放射出來的單一能量（或動量）的β粒子的理想譜形。而實際的放射源有一定的大小和厚度，就引起一定能量的β粒子的能量分散。此外，對於利用脈衝高度分佈的譜儀，還有脈衝的形成的統計漲落，電子學線路的噪聲等因素的影響，對於電磁場聚焦的譜儀，還有聚焦不完善這一重要因素的影響，使得從放射源中放射性原子核放射出來的單一能量的β粒子束的β譜將呈現圖1中b那種峯形。在峯的頂點高度一半處的全寬度稱為半高寬度，半高寬度和峯頂位置E0之比稱為β譜儀的分辨率，用百分比表示，是一無量綱的數值。很明顯，譜儀的透射率越大越好，譜儀的分辨率越小越好。習慣上，譜儀分辨率越小，就説成是分辨率越高。

利用脈衝高度分佈的β譜儀 　這類β譜儀測定β射線在探測器例如閃爍體（見閃爍計數器）或半導體探測器中形成的脈衝的高度分佈。在一定的能量範圍內，這種高度分佈是同β粒子的能量分佈成比例的。這種譜儀用閃爍體時分辨率大致為百分之十，使用低温下工作的Si(Li)探測器，在幾千電子伏能量處分辨率也為百分之幾。這種譜儀雖然分辨率不高，但使用比較方便，可以利用多道分析器收集數據（見核物理實驗多參量數據獲取），效率很高。此外，這種譜儀的透射率一般較高。

磁聚焦β譜儀，簡稱β磁譜儀，是另一類β譜儀。在β譜的高能部分中β粒子的速度接近光速，單用電場聚焦性能不好，常見的β譜儀是以磁聚焦為主的。磁聚焦譜儀大致可以分為兩種。一種是縱向聚焦磁譜儀，譜儀中β粒子的運動軌道大致同磁場方向平行，如磁透鏡β譜儀。這種譜儀的透射率較高，分辨率較差，它們的數值都在百分之一左右。另一種是橫向聚焦磁譜儀，譜儀中β粒子的運動軌道大致同磁場方向垂直。這種譜儀的透射率很低,但是分辨率較好。後來研製的雙聚焦(在磁場的徑向和軸向都聚焦)β譜儀,分辨率和透射率都有很好的改進。如果放射源的大小合適，這種β譜儀的透射率大致在百分之零點一左右，而分辨率可以小於百分之零點一。

以動量或能量為橫座標，相應的β粒子強度為縱座標，可以把β譜儀收集到的數據畫成如圖2所示的能譜曲線。曲線中高能端點的橫座標是β譜的最大動量或能量，事實上這也就是β衰變所放出的總能量。曲線上的兩個小峯是由於內轉換電子（見γ躍遷）所形成的。為了便於物理上的處理和理解，一般都把β 譜數據畫成圖3所表示的那種費密－居里圖。用這種方法表示實驗結果的圖稱為居里(Kurie)描繪。縱座標為

圖2，其中p、I(p)為β粒子動量和單位動量間隔中的 β粒子數，F是庫侖改正因子。

如果β衰變中出現的中微子的質量為零，最簡單的β譜（如單個成分的容許躍遷β譜）的居里描繪是一條直線。直線在橫座標軸上的截點給出能量的最大值。在一般情況下，β衰變往往由母核的基態衰變到子核的幾個不同的能態，這時就會發出最大能量不同的β譜稱為複雜β譜，它的費密-居里圖是一種疊加圖形,除靠近高能端的一小段外，它將偏離直線，需要通過居里描繪來分解開。有些類型β衰變的β譜，作居里描繪時，要引入改正因子才能得到一條直線。通過這些改正因子同理論的比較，可以定出禁戒躍遷的級次。

如果β衰變中出現的中微子的質量不是零，最簡單的費密-居里圖也將對直線有微小的偏離。通過β譜的測定，有可能確定這種中微子的質量。中微子的質量同宇宙論以及基本粒子間相互作用都有密切關係，人們對這一問題感到極大興趣。

根據費密-居里圖所得到的β譜的數據，再同伴隨β衰變放射的γ射線的研究相結合，就能對原子核能級有較好的瞭解。

隨着大量人工放射性核素的出現，在20世紀50年代β射線能譜學曾盛極一時。60年代後，由於適合這方面研究的核素已不太多，研究工作大為減少。可是由於高分辨率β譜儀的應用，1964年發現了原子內層電子的化學位移（同一元素的原子內層電子結合能隨元素的不同化合狀態而有所差異），因此在β射線能譜技術上發展起來的電子能譜學受到化學家的廣泛重視（見電子順磁共振）。而且這一技術也可以應用到原子的外層電子，甚至化合物、固體以及它們表面上的電子能譜的研究。