二、b衰变和中微子假说

    b 衰变包括三种方式:

    (1)  b- 衰变

    这种衰变可以表示为

                       ,                (19-40)

即母核中的一个中子发生衰变转变为一个质子并放出一个电子e- 和一个反电子中微子 ,子核的电荷数变为Z +1,而质量数保持不变。例如,

                      .              (19-41)

b-衰变能可以表示为

              .        (19-42)

这表示,b- 衰变能等于母核原子与子核原子的静能之差。发生b-衰变的条件是Ed > 0,即

                    MX (Z, A ) > MY (Z+1, A ) .                  (19-43)

这就是说,只有当母核原子的质量大于子核原子的质量时,b- 衰变才能发生。

    (2)  b+衰变

    这种衰变可以表示为

                       ,              (19-44)

即母核中一个质子发生衰变转变为一个中子并放出一个正电子e+ 和一个电子中微子ne ,子核的电荷数变为Z-1,而质量数保持不变。例如,

                      .                    (19-45)

b+衰变能可以表示为

          .      (19-46)

这表示,b+ 衰变能等于母核原子与子核原子的静能之差再减去两个电子的静能。要发生b+衰变,必须Ed > 0,即

                  MX (Z, A ) - MY (Z-1, A ) > 2me .           (19-47)

这就是说,只有当母核原子的质量与子核原子的质量之差大于两个电子的质量时,b+ 衰变才能发生。

    (3) 电子俘获(EC)

    这种衰变可以表示为

                      ,                 (19-48)

即母核俘获一个核外轨道电子使核内一个质子转变为中子,并放出一个电子中微子,所以子核的电荷数变为Z-1,而质量数保持不变。例如,

                      .               (19-49)

如果被俘获的是处于i层上的电子,那么EC的衰变能可以表示为

                  ,                 (19-50)

式中e i是原子中第i 层电子的结合能。将上式中核的质量换成相应原子的质量,得

                     Ed i = (MX - MY ) c2 - e i .                (19-51)

这表示,发生第i层电子俘获的衰变能等于母核原子与子核原子的静能之差再减去第i层电子的结合能。发生电子俘获的条件是Edi > 0, 由此可以得到

                  .            (19-52)

这就是说,只有当母核原子的质量与子核原子的质量之差大于与第i层结合能相当的质量时,俘获该层电子的过程才能发生。

         在一般情况下,K层上的电子被原子核俘获的居多,因为K层最靠近原子核,被俘获的概率最大,但是L层上的电子被俘获的概率也是存在的。另外,将式(19-52)与式(19-47)相比较可以看出,由于2me c2 (=1.02 MeV) >>ei ,所以凡是能够发生b+衰变的原子核总能够发生电子俘获的。但是,反之却不然。

    原子核在俘获了电子之后,子核原子的K层或L层上将出现一个电子空位,当某一外层电子来填补这个空位时,可能会出现下面两种情况之一,即要么以标识X射线的形式将多余的能量释放,要么将多余的能量交给同层上的其他电子,此电子获得能量而脱离原子,成为俄歇电子。

         中微子假说是为了说明在 b衰变中所观测到的实验事实而提出的。

         b-射线在1899年被发现之后不久,贝克勒尔就证明 b-射线是电子流。人们根据原子核衰变放射出电子这一事实,很容易得出这样的结论,这个被放射出的电子本来就存在于原子核内。在确认原子核是由质子和中子组成的之前,这种认识曾经支撑了原子核的质子-电子假说。但是,原子核内存在电子的认识会引起一系列矛盾,并与实验事实相抵触。正如大家在§19-1中所说的那样,存在于核内的这个电子的能量约为124 MeV,核内存在如此高能量的电子是与实验事实不符的。另外,由于电子是费米子,自旋为1/2,在 b 衰变中,无论原子核放出还是俘获电子,原子核的自旋和统计性都要发生变化,但是实验上却从未观测到这种变化。

         如果 b 衰变只是母核转变为子核并放出电子的过程,那么根据动量守恒定律,子核反冲的方向与电子的运动方向应处于同一直线上。但是在云室照片上显示的径迹却不是一条直线。

         作为量子体系的原子核的能量是以能级形式分布的,衰变过程是在不同原子核能态之间的跃迁,所释放的能量(即衰变能)必定是分立值,这部分能量转变为 b 电子的动能也必定是分立值,正如在 a 衰变中所观测到的情形一样。但是,人们经过十多年仔细测量后确认,b 射线的能量是连续谱,而不像 a 射线那样是分立谱。这就是说,b 衰变放射出的电子的动能可为从零到某一最大值Em 之间的任意值,真是不可思议。

         根据上述情况,泡利(W.Pauli)于1930年提出了中微子假说,即认为,在 b衰变中伴随着每一个电子还释放出一个很轻的中性粒子,这个中性粒子称为中微子。由于它是伴随电子而产生的,故称电子中微子,用符号 ne 表示。 是其反粒子,称为反电子中微子。

         中微子假说使 b 射线能量连续谱的实验事实得到了圆满说明。在 b衰变过程中母核所释放出的具有分立值的衰变能Ed ,应该在子核、电子(或正电子)和电子中微子(或反电子中微子)三个粒子之间进行分配。由于子核的质量比电子和中微子的大得多,所以反冲动能非常小,于是可以认为衰变能Ed主要在电子和中微子之间分配。中微子动能大,电子的动能就小;中微子动能小,电子的动能就大。所以,测得电子的动能可为从零到最大值Em之间的任意值。

         如果母核衰变前是静止的,动量为零,那么衰变后生成的三个粒子的动量的矢量之和也必定等于零。这样,子核的反冲方向一般就不会与电子的运动方向在同一条直线上了。

         应用中微子假说,虽然圆满地说明了 b 衰变中的实验现象,但是电子存在于原子核内的问题仍然没有解决。再加上中微子质量很小,又不带电荷,一时很难证实它的存在,所以不少人怀疑这个假说的真实性。可是,费米(E.Fermi)不仅支撑这个假说,而且在这个假说的基础上提出了弱相互作用的 b 衰变理论。

         费米的弱相互作用的 b衰变理论认为:从本质上说,b- 衰变是原子核内的一个中子转变为质子的过程,b+  衰变和电子俘获是原子核内的质子转变为中子的过程,而质子和中子是核子的两个不同的状态;中子与质子之间的转变相当于量子态之间的跃迁,电子和中微子就是在跃迁过程中释放出来的,它们并不存在于原子核内,正像在原子不同状态之间跃迁释放出g光子,而 g 光子并不存在于原子内一样;g 光子是与电磁相互作用相联系的,而电子和中微子则是与一种新的相互作用相联系,这种新相互作用就是弱相互作用。

    中微子是在泡利提出假说之后二十六年,才在实验中直接观察到的。费米的弱相互作用的 b 衰变理论自1934年提出至今,已经受了半个多世纪以来各方面实验的考验,被誉为物理学中最出色的理论之一。

       
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