也談“β衰變中的電子”

摘要：中學(xué)物理教師一直對原子物理相關(guān)知識理解不夠，本文針對一名中學(xué)物理教師關(guān)于“β衰變中的電子”的文章做了詳細(xì)的分析，為一線老師提供一些參考。

關(guān)鍵詞：β衰變；電子

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0040-2

我們讀了《中學(xué)物理》2007年8月第25卷·第15期第62頁刊登的郝艷俠老師的文章——《β衰變中的電子》（以下簡稱《郝文》）。該文分析并回答了同學(xué)們對β衰變中的兩個(gè)困惑：第一個(gè)困惑是 衰變中電子的來源，《郝文》的分析對學(xué)生而言，無可非議，但對老師而言，總覺意猶未盡。第二個(gè)困惑“是Th核變?yōu)镻a核時(shí)，核外多了一個(gè)電子又從哪來？”《郝文》對其的分析解答，我們不敢茍同，特提出來與郝老師商榷，同時(shí)供物理界同仁探討。

1 衰變中電子的來源

現(xiàn)行高中物理教材第三冊［1］指出：“原子核里雖然沒有電子，但是核內(nèi)的中子可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子，產(chǎn)生的電子從核內(nèi)發(fā)射出來，這就是β衰變?！逼鋵?shí)，教材中的這句話已經(jīng)把這個(gè)問題說得很清楚了。若要對β衰變作較深入的認(rèn)識，可作如下簡要分析。

β衰變有三種方式：①β-衰變，放出一個(gè)電子，質(zhì)子數(shù)Z→Z+1，質(zhì)量數(shù)A不變（中學(xué)物理只學(xué)習(xí)這一種衰變方式）；②β+衰變，放出一個(gè)正電子，Z→Z-1，A不變；③軌道電子俘獲，原子核俘獲一個(gè)核外殼層電子，Z→Z-1，A不變。

β衰變面臨兩個(gè)難題［2］：①為什么β衰變的能譜是連續(xù)的？（這個(gè)問題遠(yuǎn)超過了中學(xué)物理的范圍，本文不予討論）②原子核內(nèi)不存在電子，β衰變放出的電子是從哪里來的？這是本文要討論的問題之一。1930年，瑞士籍奧地利理論物理學(xué)家泡利提出中微子假說，解決了這兩大難題。（中微子是一個(gè)自旋為12，不帶電荷，靜質(zhì)量近似為零的粒子，對于電子型中微子，有中微子ve 和反中微子e之分。）

在泡利提出中微子假說后，不少人持懷疑態(tài)度，但是，意大利物理學(xué)家費(fèi)米不僅接受了這一假設(shè)，而且還用它解決了β衰變的第二個(gè)難題。費(fèi)米認(rèn)為，正象光子是在原子或原子核從一個(gè)激發(fā)態(tài)躍遷到另一個(gè)激發(fā)態(tài)時(shí)產(chǎn)生的那樣，電子和中微子是在衰變中產(chǎn)生的。

β-衰變的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子放出電子和反中微子，變換式為

n→p+e-+e；（1）

β+衰變的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橐粋€(gè)中子放出正電子和中微子，變換式為

p→n+e++ve；（2）

軌道電子俘獲的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子與核外一個(gè)殼層電子結(jié)合變?yōu)橐粋€(gè)中子放出一個(gè)中微子，變換式為

p+e-→n+ve。(3)

質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。質(zhì)子和中子是核子的兩個(gè)不同量子狀態(tài)，因此，中子與質(zhì)子之間的轉(zhuǎn)變相當(dāng)于一個(gè)量子態(tài)到另一個(gè)量子態(tài)的躍遷，在躍遷過程中放出電子和中微子，它們事先并不存在于核內(nèi)．正好象光子是原子或原子核不同狀態(tài)之間躍遷的產(chǎn)物，事先并不存在于原子或原子核內(nèi)．所不同的是導(dǎo)致產(chǎn)生光子的是電磁相互作用，而導(dǎo)致產(chǎn)生電子和中微子的是弱相互作用。（1）、（2）、（3）式滿足電荷守恒，角動量守恒。

2 對《郝文》第二個(gè)困惑的商榷

《郝文》中的第二個(gè)困惑是“Th核變?yōu)镻a核時(shí)，核外多了一個(gè)電子又從哪來？”對于這個(gè)問題，正如前文所述，β-衰變，質(zhì)子數(shù)Z→Z+1，質(zhì)量數(shù)A不變，其實(shí)質(zhì)是n→p+e-+e。23490Th是90個(gè)質(zhì)子，144個(gè)中子， 23491Pa是91個(gè)質(zhì)子，143個(gè)中子，23490Th衰變?yōu)?3491Pa多了一個(gè)質(zhì)子。在研究原子核的放射性衰變時(shí)，是討論原子核范疇的問題，沒有必要討論核外電子的多少問題。只有在研究放射性衰變產(chǎn)生的條件時(shí)，才提到核外電子的個(gè)數(shù)。以β-衰變?yōu)槔邯?/p>

一般反應(yīng)式為AZX→AZ+1Y+e-+e；

質(zhì)量虧損為Δm=［mX-(mY+me)］。

這里mX、mY和me分別表示母核、子核和電子的質(zhì)量．換成對應(yīng)的原子質(zhì)量，且忽略電子的結(jié)合能，并注意到母原子核外有Z個(gè)電子，子原子核外有Z+1個(gè)電子（估計(jì)多的這個(gè)電子就是《郝文》所想說的核外多了的那個(gè)電子），則有

Δm={MX-［(MY-me)+me］}

=MX-MY。

衰變能為Ed=Δmc2=(MX-MY)c2。

放射性衰變是自發(fā)的，由Ed>0得衰變條件是MX>MY。

即只有當(dāng)母核的原子質(zhì)量大于子核的原子質(zhì)量時(shí)，才能發(fā)生β-衰變。

《郝文》對第二個(gè)困惑的解釋是“Th核中中子的變化，應(yīng)使Th核先變?yōu)镻a核離子．之后Pa離子不穩(wěn)定吸收周圍環(huán)境中的電子，形成中性的Pa 核。”這是對放射性衰變概念和原子核的誤解。在原子和原子核物理學(xué)中沒有“核離子”的說法，只有原子的外層電子被電離而成為離子，如一價(jià)的鋰離子Li+；“中性的Pa核”之說就更離譜了，原子核就是原子核，由“核離子”形成“中性核”的說法是沒有依據(jù)的，讓人難以理解．關(guān)于《郝文》提到“Pa離子不穩(wěn)定”的問題，其實(shí)是原子核發(fā)生α、β衰變時(shí)，生成的子核往往處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的。原子核由高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射光子，即伴隨著α、β衰變的同時(shí)產(chǎn)生γ衰變。

放射性衰變是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地放出射線，從一種核素變?yōu)榱硪环N核素，是原子核的轉(zhuǎn)變，忽視了原子核衰變的實(shí)質(zhì)而去談“核外多了一個(gè)電子”，純屬畫蛇添足。

參考文獻(xiàn)：

［1］人民教育出版社物理室．全日制普通高級中學(xué)教科書（必修加選修）物理（第三冊）［M］ ．北京：人民教育出版社，2003．65

［2］楊福家．原子物理學(xué)［M］ ．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985．376-385

［3］梁紹榮，管靖．基礎(chǔ)物理學(xué)（下冊）［M］ ．北京：高等教育出版社，2002．302-305

(欄目編輯羅琬華)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。