FHSST 物理学/原子核/β 衰变

β 衰变

在三种类型的放射性中，$\alpha$ 和 $\gamma$ 射线很容易解释。$\alpha$ 粒子的发射是一种不平衡的裂变反应，当初始原子核自发衰变成两个碎片，其中一个是 ${}_{2}^{4}$He 原子核（即 $\alpha$ 粒子）。$\gamma$ 射线是由核系统在从一种量子态过渡到另一种量子态时发出的电磁量子（光子）（类似于原子在电子下降到更低能级时发射可见光）。

$\beta$ 射线提出了难题。一方面，它们只是电子，你可能会认为它看起来很简单。但另一方面，它们不是来自原子壳层的电子。人们发现它们来自原子核内部！在 $\beta$ 衰变后，原子核的电荷增加一个单位，

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

这与电荷守恒定律相一致。

与 $\beta$ 衰变相关的另一个难题是：发射的电子没有固定的能量。测量它们的动能，你可以找到非常快的电子和非常慢的电子以及具有中间速度的电子。相同的母体核如何在失去不同能量后变成相同的子体核？也许在量子世界中能量不守恒？这个可能性是如此惊人，以至于尼尔斯·玻尔甚至提出了能量守恒定律的统计性质的想法。

为了解释第一个难题，最初有人提出中子是质子和电子的束缚态。当时，一些物理学家认为，如果某物从物体中发射出来，它在发射前必须存在于该物体中。他们无法想象粒子可以从真空中产生。

中子简单的$(pe)$模型与事实相矛盾。事实上，人们已经知道$pe$的束缚态是氢原子。中子比氢原子小得多。因此，它将是异常紧密的结合，也许还包含了一些其他东西来保持其体积的微小。顺便说一下，这其他东西也可以拯救能量守恒定律。1930 年，沃尔夫冈·泡利建议，除了电子之外，$\beta$衰变还涉及另一种粒子，$\nu$，它与电子一起发射，带走了部分能量。例如，

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

(15.6)

这个额外的粒子被称为中微子（意大利语neutrino意为“小中子”）。中微子不带电，质量极小（可能甚至为零，这在 2004 年仍是一个问题），并且与物质的相互作用非常微弱。这就是为什么它直到 1956 年才在实验中被探测到的原因。方程式 (15.6) 中$\nu$上方的横线表示在这个反应中实际上发射的是反中微子（有关反粒子的讨论，请参见后面第基本粒子：粒子物理学节）。