β衰变中,原子核发生下列三种类型的变化:
其中X和Y分别表示母核和子核,A和Z为母核的质量数和质子数,e和e+为电子和正电子,v和堸为中微子和反中微子。β衰变能分别表示为
其中mx和my为母核原子和子核原子的静止质量360问答,me为电子的静止质量,Wi为轨道电子结合能,с为光速。
轨道电子俘获过程所形成的子核原子,由于缺少了一个内层电子迅给政奏唱袁宽故利,原子处于激发状态,它可以通过不同方式退激。对于K俘获,当L层电子跳到K层填黑今愿氢司二充空位,可以发射标识X射线,或称特征X射线。它的能量是K层和L层电子的结合能之差hv=Wk-WL;当L层电子跳到K层空位时,也可以不殖纪这声鲁发射标识X射线,而把能量交给另一个L层电子,使其克指静温角所个服结合能而飞出,这种电子称为俄歇电子,它的动能Ee=hv-WL=Wk-2WL。轨道电子俘获总伴随有标识X射线或俄歇电子的产生。
β衰变的电子中微子理论 β衰变中放出的β粒子话右肉来供之半赵的能量是从连续分布的。为了史切法换降器解释这一现象,1930年,W.泡利提出了β衰变放出中性微粒的假说。1933年,E.费密在此基础上提出了β衰变的电子中微子理论。这个理论认为:中子和质子可以看作是同一种粒子(核子)的村内论天先量两个不同的量子状态,它们之间的相互转变,相当于核子从一个量子态跃迁到另一个量子态,在跃迁过程中放出电子和中微子。β粒子是核子的不同状态之间跃迁的产物,事先并不存在于核内。所以,引起β衰变的是电子-中微子场同原子核的相互作用,这种作用属于弱相互作用。这个理论成功地解释了β谱的形状,给出了β衰变的定量的描述。
β跃迁几率 根据量子力学的微扰论,费密理论给出单位时间发射动量在p到p+dp间β粒子的几率为,(众北1)
式中g是弱相互作用包根阻常数,Mif是跃迁矩供真容注衡史击你爱二阵元,啚是普朗克画战常数h除以2π,F(Z,E)是库仑改正因子,它描述核的库仑场对发射β粒子的影响,是子核电荷数Z和β粒子能量E的函数。跃迁几率的晶大小主要由跃迁矩界帮世态游班代己美阵元|Mif|的大小决定。
β跃迁分类 根据跃迁矩阵元的大小,可将β跃迁分为容许跃迁、一级禁戒跃迁、二级禁戒跃迁等。级次越高,跃迁几率越小;相邻两级间,几率可以相差几个数量级。
费密理论给出β犯空衰变对母核同子核间的自旋和宇称变化的选择定则:对于允许跃迁,自旋变化|ΔI|=0,1,宇称变化Δπ=+1;对于一级禁戒跃迁,|ΔI|=0,1,2,Δπ=-1;对于二级以上的如n级禁戒跃迁,|ΔI|=n,n+1,Δ掉跳游到章优始π=(-1)。在β衰变的研究中,常将式(1)改写为,(2)式中。对容许跃迁,|Mif|与β粒子的能量无关,K为常数。此时若以为纵坐标,E为横坐标作图,则针巴集下导民料教得一条直线。直线同横轴的交点为β粒子的最大能量Em如。这种图称为居里描绘,也称费密-居里图。这样,居里描绘可用来精确地测定Em。此外,也可用来分解复杂的β谱。对于禁戒跃迁,Mif往往不是常数,则按式(2)作图时不是一条直线。这时可引入一个同β粒子能量有关的因子Sn(E)对居里描绘进行改正,即把K中同能量有关的因子分出来,,使K┡为常数。此时式(2)可写成
,改正后的居里描绘取
对E作图,仍是一条直线。Sn(E)由理论可以计算。因而,通过理论同实验的比较,可决定Sn(E),从而可以定出禁戒跃迁级次n。通过对β粒子动量分布式(1)的积分,假定跃迁矩阵元Mif同β粒子能量的关系可以忽略,便得到β衰变常数λ或半衰期T½。,(3)
式中f(Z,Em)称为费密积分函数。pm为电子的最大动量。
当β粒子的最大能量远大于它的静止能量,并且可以忽略核的库仑场对发射β粒子的影响时,
从而可得关系。
这一关系称为萨晋关系,它表示β衰变常数(或半衰期)随β粒子的最大能量Em的变化而剧烈地变化。
由萨晋关系可见,仅仅以半衰期(或衰变常数)的大小不能反映β跃迁的级次。
因此需要引入比较半衰期fT½。由于fT½值与|Mif|成反比,而|Mif|的大小对不同级次的跃迁有很大差别,从而fT½值可用来比较跃迁的
级次。这就是称fT½为比较半衰期的由来。
实验测得的各级跃迁的lgfT½值大致范围如下:跃迁级次 lgfT½
容 许 3~6一级禁戒 6~10二级禁戒 10~13
三级禁戒 15~18β在β衰变的研究中的一个重要的突破是1956年李政道和杨振宁提出的弱相互作用中的宇称不守恒,第二年吴健雄等人利用极化核Co的β衰变实验首次证实了宇称不守恒,这一发现不仅促进了β衰变本身的研究,也促进了粒子物理学的发展。
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