β衰變

β衰變是放射性原子核放射電子（β粒子）和中微子而轉變為另一種核的過程。1896年，亨利·貝克勒（A.H.Becquerel）發現鈾的放射性；1897年，盧瑟福（E.Rutherford）和約瑟夫·湯姆孫（J.J.Thomson）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。

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，核內的一個質子轉變成中子，同時釋放一個正電子和一箇中微子；在負β衰變中，核內的一箇中子轉變為質子，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。

三種類型

β衰變中，原子核發生下列三種類型的變化：

X→Y+e^-+-ve(β^-衰變)

X→Y+e⁺+ve(β⁺衰變)

X+e^-→Y+ve(EC)

式中X和Y分別代表母核和子核；A和Z是母核質量數和電荷數；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

Qβ-=(mx-mY)c^2

Qβ+=(mx-mY-2me)c^2，

QEC=(mx-mY)c^2-wi

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。

β衰變的半衰期分佈在接近10秒到10年的範圍內，發射出粒子的能量最大為幾兆電子伏。β衰變不僅在重核範圍內發生，在全部元素週期表範圍內都存在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 ^[1]  。

β衰變可俘獲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於缺少一個內層電子而處於激發態，可通過外層電子躍遷發射X射線標識譜或發射俄歇電子而退激。最初以為β-連衰變僅放出電子，實際測量發現，放出的電子能量從零到Qβ-連續分佈，曾困惑物理學家多年。

1930年W.E.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，該粒子後來被稱為中微子，1952年以後被實驗確鑿證實。

β衰變屬於弱相互作用。1956年李政道和楊振寧提出弱相互作用過程宇稱不守恆，第二年吳健雄等人利用極化核⁶⁰Co的β衰變實驗首次證實了宇稱不守恆。這一發現不僅促進了β衰變本身的研究，也促進了粒子物理的發展。

1.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粒子後，它的質量只略微減少。

2.新核的質量數不變，電荷數增加1，新核在元素週期表中的位置要向後移一位。β衰變中放出的電子能量是連續分佈的，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恆。

雙重β衰變，亦作ββ衰變，是β衰變的一個特例，包含原子核內兩個單位的轉變，只發生於特定的原子核。雙重β衰變正常來説會放出兩對中微子，但現時有科學家猜想是否有可能發現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。

2022年，中科院近代物理研究科研人員及其合作者依託蘭州重離子加速器大科學裝置開展了質子滴線核磷-26衰變性質的高精度測量，發現了β衰變中最強同位旋混雜現象。 ^[2] 

1930年，W.泡利提出了β衰變放出中性微粒的假説。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，它們之間的相互轉變，相當於核子從一個量子態躍遷到另一個量子態，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之間躍遷的產物，事先並不存在於核內。所以，引起β衰變的是電子-中微子場同原子核的相互作用，這種作用屬於弱相互作用。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。

根據量子力學的微擾論，費密理論給出單位時間發射動量在p到p+dp間β粒子的幾率為，(1)

式中g是弱相互作用常數，Mif是躍遷矩陣元，啚是普朗克常數h除以2π，F(Z，E)是庫侖改正因子，它描述核的庫侖場對發射β粒子的影響，是子核電荷數Z和β粒子能量E的函數。躍遷幾率的大小主要由躍遷矩陣元|Mif|的大小決定。

根據躍遷矩陣元的大小，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：對於允許躍遷，自旋變化|ΔI|=0，1，宇稱變化Δπ=+1；對於一級禁戒躍遷，|ΔI|=0，1，2，Δπ=-1；對於二級以上的如n級禁戒躍遷，|ΔI|=n，n+1，Δπ=(-1)。

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恆，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恆，這一發現不僅促進了β衰變本身的研究，也促進了粒子物理學的發展。