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β衰变

β 衰变通过弱相互作用改变原子核的质子—中子平衡。与 α 衰变不同,质量数 A 可以保持不变,而原子序数 Z 改变 1。发射出的电子或正电子是在衰变过程中产生的,并不是事先储存在原子核里的电子。

β⁻ 把一个中子变成质子

在 β⁻ 衰变中,中子转化为质子,同时产生电子和电子反中微子:n→p+e⁻+ν̄e。整个原子核满足 (A,Z)→(A,Z+1)+e⁻+ν̄e。A 不变而 Z 增加 1;完整过程中电荷、能量、动量和角动量守恒。

A , Z子核A , Z+1电子反中微子
β⁻ 衰变保持 A 不变而使 Z 增加 1。一个中子在弱相互作用中转变为质子。

β⁺ 与电子俘获

β⁺ 衰变沿相反方向改变核组成:质子转化为中子,同时产生正电子和电子中微子,因此 Z 减少 1。电子俘获中,原子核俘获一个原子电子,使一个质子转变为中子并发出中微子。这些弱过程都在调整中子—质子比例。

连续的电子能量端点能量电子动能
β 电子并非都具有同一能量。能量和动量还要与中微子及子核反冲共同分配。

连续能谱与中微子

若 β 衰变只有子核和电子两个产物,一个固定核跃迁应给出几乎固定的电子能量。实验却显示连续谱,因为可用能量在电子、中微子与子核反冲之间分配。中微子不是额外装饰,而是能量和动量账本中不可缺少的一项。

β 粒子在物质中的行为

β 粒子比 α 粒子轻得多,通常能传播更远,但它们容易受到原子核电场偏转,也会与电子碰撞。穿透深度和能量损失取决于粒子能量与材料。放射性活度、粒子能量、几何条件和暴露方式不能被压缩成一个模糊的“强度”。

计算示例

1. 求 β⁻ 衰变后的子核

解答

碳-14 的 A=14、Z=6。β⁻ 后 A 不变、Z 增为 7,因此得到氮-14。

2. 区分 β⁺

解答

β⁺ 使 A 不变而 Z 减少 1。因此 A=22、Z=11 的母核产生 A=22、Z=10 的子核。

3. 解释连续谱

解答

相同核跃迁产生的两个 β 电子可以具有不同动能,因为每次事件中能量会以不同方式在电子、中微子与反冲之间分配。