也談“β衰變中的電子”
2008-12-31 00:00:00許弟余高峰
物理教學探討 2008年9期
摘要：中學物理教師一直對原子物理相關知識理解不夠，本文針對一名中學物理教師關于“β衰變中的電子”的文章做了詳細的分析，為一線老師提供一些參考。
關鍵詞：β衰變；電子
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0040-2
我們讀了《中學物理》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們對β衰變中的兩個困惑：第一個困惑是 衰變中電子的來源，《郝文》的分析對學生而言，無可非議，但對老師而言，總覺意猶未盡。第二個困惑“是Th核變為Pa核時，核外多了一個電子又從哪來？”《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，同時供物理界同仁探討。
1 衰變中電子的來源
現行高中物理教材第三冊［1］指出：“原子核里雖然沒有電子，但是核內的中子可以轉化成質子和電子，產生的電子從核內發射出來，這就是β衰變。”其實，教材中的這句話已經把這個問題說得很清楚了。若要對β衰變作較深入的認識，可作如下簡要分析。
β衰變有三種方式：①β-衰變，放出一個電子，質子數Z→Z+1，質量數A不變（中學物理只學習這一種衰變方式）；②β+衰變，放出一個正電子，Z→Z-1，A不變；③軌道電子俘獲，原子核俘獲一個核外殼層電子，Z→Z-1，A不變。
β衰變面臨兩個難題［2］：①為什么β衰變的能譜是連續的？（這個問題遠超過了中學物理的范圍，本文不予討論）②原子核內不存在電子，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家泡利提出中微子假說，解決了這兩大難題。（中微子是一個自旋為12，不帶電荷，靜質量近似為零的粒子，對于電子型中微子，有中微子ve 和反中微子e之分。）
在泡利提出中微子假說后，不少人持懷疑態度，但是，意大利物理學家費米不僅接受了這一假設，而且還用它解決了β衰變的第二個難題。費米認為，正象光子是在原子或原子核從一個激發態躍遷到另一個激發態時產生的那樣，電子和中微子是在衰變中產生的。
β-衰變的實質是核內一個中子變為一個質子放出電子和反中微子，變換式為
n→p+e-+e；（1）
β+衰變的實質是核內一個質子變為一個中子放出正電子和中微子，變換式為
p→n+e++ve；（2）
軌道電子俘獲的實質是核內一個質子與核外一個殼層電子結合變為一個中子放出一個中微子，變換式為
p+e-→n+ve。(3)
質子和中子統稱為核子。質子和中子是核子的兩個不同量子狀態，因此，中子與質子之間的轉變相當于一個量子態到另一個量子態的躍遷，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．正好象光子是原子或原子核不同狀態之間躍遷的產物，事先并不存在于原子或原子核內．所不同的是導致產生光子的是電磁相互作用，而導致產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》第二個困惑的商榷
《郝文》中的第二個困惑是“Th核變為Pa核時，核外多了一個電子又從哪來？”對于這個問題，正如前文所述，β-衰變，質子數Z→Z+1，質量數A不變，其實質是n→p+e-+e。23490Th是90個質子，144個中子， 23491Pa是91個質子，143個中子，23490Th衰變為23491Pa多了一個質子。在研究原子核的放射性衰變時，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生的條件時，才提到核外電子的個數。以β-衰變為例：
一般反應式為AZX→AZ+1Y+e-+e；
質量虧損為Δm=［mX-(mY+me)］。
這里mX、mY和me分別表示母核、子核和電子的質量．換成對應的原子質量，且忽略電子的結合能，并注意到母原子核外有Z個電子，子原子核外有Z+1個電子（估計多的這個電子就是《郝文》所想說的核外多了的那個電子），則有
Δm={MX-［(MY-me)+me］}
=MX-MY。
衰變能為Ed=Δmc2=(MX-MY)c2。
放射性衰變是自發的，由Ed>0得衰變條件是MX>MY。
即只有當母核的原子質量大于子核的原子質量時，才能發生β-衰變。
《郝文》對第二個困惑的解釋是“Th核中中子的變化，應使Th核先變為Pa核離子．之后Pa離子不穩定吸收周圍環境中的電子，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”的說法是沒有依據的，讓人難以理解．關于《郝文》提到“Pa離子不穩定”的問題，其實是原子核發生α、β衰變時，生成的子核往往處于激發態，處于激發態的原子核是不穩定的。原子核由高激發態向低激發態或基態躍遷時發射光子，即伴隨著α、β衰變的同時產生γ衰變。
放射性衰變是不穩定的原子核自發地放出射線，從一種核素變為另一種核素，是原子核的轉變，忽視了原子核衰變的實質而去談“核外多了一個電子”，純屬畫蛇添足。
參考文獻：
［1］人民教育出版社物理室．全日制普通高級中學教科書（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［M］ ．上海：上海科學技術出版社，1985．376-385
［3］梁紹榮，管靖．基礎物理學（下冊）［M］ ．北京：高等教育出版社，2002．302-305
(欄目編輯羅琬華)
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