FHSST 物理學/原子核/β 衰變

β 衰變

在三種類型的放射性中，$\alpha$ 和 $\gamma$ 射線很容易解釋。$\alpha$ 粒子的發射是一種不平衡的裂變反應，當初始原子核自發衰變成兩個碎片，其中一個是 ${}_{2}^{4}$He 原子核（即 $\alpha$ 粒子）。$\gamma$ 射線是由核系統在從一種量子態過渡到另一種量子態時發出的電磁量子（光子）（類似於原子在電子下降到更低能級時發射可見光）。

$\beta$ 射線提出了難題。一方面，它們只是電子，你可能會認為它看起來很簡單。但另一方面，它們不是來自原子殼層的電子。人們發現它們來自原子核內部！在 $\beta$ 衰變後，原子核的電荷增加一個單位，

${}_{Z}^{A}\left({\mbox{parent nucleus}}\right)\,\longrightarrow \,{}_{Z+1}^{A}\left({\mbox{daughter nucleus}}\right)+e\ ,$

這與電荷守恆定律相一致。

與 $\beta$ 衰變相關的另一個難題是：發射的電子沒有固定的能量。測量它們的動能，你可以找到非常快的電子和非常慢的電子以及具有中間速度的電子。相同的母體核如何在失去不同能量後變成相同的子體核？也許在量子世界中能量不守恆？這個可能性是如此驚人，以至於尼爾斯·玻爾甚至提出了能量守恆定律的統計性質的想法。

為了解釋第一個難題，最初有人提出中子是質子和電子的束縛態。當時，一些物理學家認為，如果某物從物體中發射出來，它在發射前必須存在於該物體中。他們無法想象粒子可以從真空中產生。

中子簡單的$(pe)$模型與事實相矛盾。事實上，人們已經知道$pe$的束縛態是氫原子。中子比氫原子小得多。因此，它將是異常緊密的結合，也許還包含了一些其他東西來保持其體積的微小。順便說一下，這其他東西也可以拯救能量守恆定律。1930 年，沃爾夫岡·泡利建議，除了電子之外，$\beta$衰變還涉及另一種粒子，$\nu$，它與電子一起發射，帶走了部分能量。例如，

${\begin{matrix}{}_{90}^{234}{\rm {Th}}\,\longrightarrow \,{}_{91}^{234}{\rm {Pa}}+e^{-}+{\bar {\nu }}\ .\end{matrix}}$

(15.6)

這個額外的粒子被稱為中微子（義大利語neutrino意為“小中子”）。中微子不帶電，質量極小（可能甚至為零，這在 2004 年仍是一個問題），並且與物質的相互作用非常微弱。這就是為什麼它直到 1956 年才在實驗中被探測到的原因。方程式 (15.6) 中$\nu$上方的橫線表示在這個反應中實際上發射的是反中微子（有關反粒子的討論，請參見後面第基本粒子：粒子物理學節）。