β 衰變解析:核反應方程式與釋放粒子

了解 β⁻ 衰變如何使中子轉變成質子、如何書寫核反應方程式,以及為什麼衰變過程會釋放電子和反微中子。

奇異的是,當你觀察某些放射性原子核時,會發現一些令人意想不到的現象。原子核可能含有過多的中子,但它並不會直接將中子排出。相反地,其中一個中子可能會轉變成質子,形成一種完全不同的元素。

試想一下,預測原子核會釋放出什麼粒子。如果一個中子消失,而一個質子出現,應該釋放出什麼粒子才能維持電荷平衡?原本那個中子不帶電荷,但轉變後,原子核便多了一個正電荷。因此,必須有某種帶負電荷的粒子離開。

這個推論引出了 β⁻ 衰變。

示意圖比較中子轉變成質子的過程,並顯示 β⁻ 衰變期間會釋放電子和反微中子。
β⁻ 衰變關係示意圖:原子核內的一個中子轉變成質子,同時釋放電子(β⁻)和電子反微中子。圖中以代表性的粒子數量說明,質量數保持不變,而原子序增加 1。

01β 衰變所解決的問題:不穩定的中子與質子比例

在原子核內,質子和中子透過強核力結合在一起。當這兩種粒子的數量比例適當時,原子核通常較容易保持穩定。

對於較輕的原子核,中子的數量通常與質子的數量相近。對於較重的原子核,額外的中子有助於減弱質子之間的排斥效應,因為中子能增加強核力的吸引作用,卻不會增加電性排斥。

然而,有些原子核含有過多的中子。你可以將這種情況想像成一支分工過度集中的隊伍,有太多隊員負責相同的工作。若其中一個中子轉變成質子,這支隊伍便可能達到更好的平衡。

中子的轉變過程如下:

\[ \text{中子} \rightarrow \text{質子} + \text{電子} + \text{反微中子} \]

釋放出的電子稱為 β⁻ 粒子,記作 \(\beta^-\)。

一個常見的推論是:

「電子非常微小,而且存在於原子內部,因此它大概不可能來自原子核內部。」

這種想法聽起來很合理,因為電子通常被描繪成在原子周圍運動。然而,在 β 衰變中,電子並不是原本存在於原子中的電子被釋放出來。它是在原子核內的中子轉變成質子的過程中產生的。

02建立核反應方程式

核反應方程式必須遵守兩個重要的守恆量:

  • 質量數,\(A\):質子與中子的總數
  • 原子序,\(Z\):質子的數量

β⁻ 衰變的方程式如下:

\[ {}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z+1}Y + {}^{0}_{-1}\beta + {}^{0}_{0}\bar{\nu}_e \]

其中:

  • \(X\) 是原本的元素
  • \(Y\) 是新形成的元素
  • \(A\) 是質量數
  • \(Z\) 是原子序
  • \(\beta^-\) 是釋放出的電子
  • \(\bar{\nu}_e\) 是電子反微中子

請注意以下變化:

  • 質量數保持不變,因為一個中子轉變成一個質子,核子總數沒有改變。
  • 原子序增加 1,因為原子核增加了一個質子。

這表示 β⁻ 衰變會產生一種新的元素。

例如,碳-14 會發生 β 衰變:

\[ {}^{14}_{6}\ce{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\ce{N} + {}^{0}_{-1}\beta + {}^{0}_{0}\bar{\nu}_e \]

碳有 6 個質子。衰變後,原子核有 7 個質子,因此會變成氮。

簡化的核種圖示顯示碳-14 經 β⁻ 衰變轉變成氮-14,原子序增加 1,而質量數保持不變。
核種圖的示意局部:含有 6 個質子和 8 個中子的碳-14 發生 β⁻ 衰變,其中一個中子轉變成質子,形成含有 7 個質子和 7 個中子的氮-14。質量數保持為 14。

03為什麼需要反微中子?

一開始,這個衰變過程看起來很簡單:

\[ \text{中子} \rightarrow \text{質子} + \text{電子} \]

但實驗顯示,釋放出的電子並不總是具有相同的能量。有一部分能量和動量似乎不知所終。

解決這個問題的關鍵是另一種粒子:電子反微中子。

反微中子具有以下特性:

  • 質量幾乎為零,
  • 不帶電荷,
  • 攜帶能量和動量。

它會帶走原本看似缺失的能量,使各項守恆定律仍然成立。

這是一個物理學家逆向推理的好例子。起初,科學家並沒有直接觀察到反微中子。他們是根據測量結果與較簡單的預測不符,推斷出必定還有另一種粒子存在。

04實用比較:α 衰變與 β 衰變

β 衰變經常與 α 衰變混淆。判斷的關鍵問題是:

「原子核是要減小體積,還是要調整中子與質子的比例?」

衰變類型釋放出的粒子對質量數的影響對原子序的影響
α 衰變\({}^{4}_{2}\ce{He}\) 原子核減少 4減少 2
β⁻ 衰變電子和反微中子不變增加 1

你可以在此進一步比較 β 衰變與 α 衰變:Alpha decay: nuclear equations and radiation properties。

05這個粒子並不等同於原子中的電子

HSC 考試中常見的一個錯誤,是將 β⁻ 衰變寫成彷彿原子核內原本就存在一個電子。

學生可能會寫成:

\[ {}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z}Y + e^- \]

並認為:「原子核只是釋放出一個電子。」

問題在於,這種寫法無法解釋質子數量為什麼會改變。

實際的過程是:

\[ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \]

中子的身分發生了轉變。電子是在這個過程中產生的。

一個有用的比喻是某個人轉換隊伍。想像有一個人離開「中子隊」,加入「質子隊」。隊伍的變動會產生一張「收據」,用來表示這項變化已經發生。電子就像這張收據:它會離開這個系統,但它是在變化發生的過程中產生的。

不過,這個比喻並不完全適用,因為粒子並不是像人一樣轉換工作。中子並不是由一個質子、一個電子和一個反微中子組成,然後讓它們各自分離。這種轉變是透過弱核作用發生的。

示意圖顯示中子透過弱核作用衰變成質子,同時釋放電子和電子反微中子。
弱核作用過程的概念示意圖:中子轉變成質子,同時釋放電子和電子反微中子。圖中以示意方式呈現粒子之間的關係,並非描繪中子的內部結構。

06詳解範例:辨認衰變後的原子核

一個磷-32 原子核發生 β⁻ 衰變。寫出核反應方程式。

步驟 1:辨認 β⁻ 衰變會造成什麼變化。

β⁻ 衰變會使原子序增加 1,但質量數保持不變。

磷的數值為:

\[ A = 32, \qquad Z = 15 \]

步驟 2:改變原子序。

新的原子序為:

\[ Z = 15 + 1 = 16 \]

原子序為 16 的元素是硫。

步驟 3:寫出方程式。

\[ {}^{32}_{15}\ce{P} \rightarrow {}^{32}_{16}\ce{S} + {}^{0}_{-1}\beta + {}^{0}_{0}\bar{\nu}_e \]

結果表示,磷-32 會變成硫-32,因為其中一個中子已轉變成質子。

07詳解範例:找出原本的原子核

β⁻ 衰變會產生氮-16:

\[ {}^{16}_{7}\ce{N} \rightarrow {}^{16}_{8}\ce{O} + {}^{0}_{-1}\beta + {}^{0}_{0}\bar{\nu}_e \]

一名學生偵測到衰變後的原子核是氧-16。原本的原子核是什麼?

步驟 1:從衰變後的原子核反向推算。

β⁻ 衰變會使原子序增加 1。

因此,母原子核的原子序必須是:

\[ Z = 8 - 1 = 7 \]

步驟 2:辨認元素。

原子序為 7 的元素是氮。

質量數不會改變,因此:

\[ A = 16 \]

步驟 3:寫出原本的原子核。

原本的原子核是:

\[ {}^{16}_{7}\ce{N} \]

這表示,即使放射性衰變本身不可逆,我們仍然可以透過反向推理來分析衰變過程。

08β 衰變與能量的關係

放射性衰變所釋放的能量,來自原本的原子核與產物的質量之間的差異。

少量質量會轉換成能量:

\[ E = mc^2 \]

其中:

  • \(E\) 是以焦耳為單位的釋放能量,
  • \(m\) 是以千克為單位的質量虧損,
  • \(c\) 是以公尺每秒為單位的光速。

對於核反應而言,質量差異非常微小,但 \(c^2\) 的數值極大,因此釋放的能量可能相當可觀。

你可以在此探索質量虧損與核能之間的關係:Mass defect: how missing mass becomes nuclear binding energy。

放射性原子核的衰變速率,與衰變的類型是兩個不同的概念。了解 β 衰變如何改變原子核後,下一步就是理解樣本的變化速度,而這可以透過衰變常數和半衰期來描述:Decay constant and half-life: HSC Physics explained。

09問題與解答

問題 1

一個碘-131 原子核發生 β⁻ 衰變。求出衰變後的原子核。

解答 1

衰變後的原子核是氙-131。

β⁻ 衰變會使質量數保持不變,並使原子序增加 1。

碘的原子序為 53,因此:

\[ Z = 53 + 1 = 54 \]

原子序為 54 的元素是氙。

核反應方程式為:

\[ {}^{131}_{53}\ce{I} \rightarrow {}^{131}_{54}\ce{Xe} + {}^{0}_{-1}\beta + {}^{0}_{0}\bar{\nu}_e \]

常見的陷阱是改變質量數。β 粒子的質量數為零,因為它不是核子,而原子核內的核子總數並沒有改變。

問題 2

一名學生聲稱:

「因為 β 粒子就是電子,所以 β⁻ 衰變是電子從原子中逃逸的過程。」

解釋為什麼這個說法不正確。

解答 2

這個說法不正確,因為 β 粒子是在原子核內的中子轉變成質子的過程中產生的。

這個過程是:

\[ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \]

原子中的電子原本就存在於原子核外,但釋放出的 β 粒子是在原子核內透過弱作用產生的。

這個看似合理的想法之所以容易令人相信,是因為 β 粒子與電子具有相同的電荷和質量特性。然而,關鍵線索是原子序增加了 1。這只有在中子轉變成質子的情況下才會發生。

問題 3

一個放射性樣本最初含有某種原子核,該原子核透過 β⁻ 衰變形成矽-31。

找出原本的原子核,並寫出衰變方程式。

解答 3

原本的原子核是鋁-31。

β⁻ 衰變會使原子序增加 1,因此母原子核的質子數必須少 1 個。

矽的原子序為 14:

\[ Z_{\text{parent}} = 14 - 1 = 13 \]

原子序為 13 的元素是鋁。

質量數保持為 31:

\[ {}^{31}_{13}\ce{Al} \rightarrow {}^{31}_{14}\ce{Si} + {}^{0}_{-1}\beta + {}^{0}_{0}\bar{\nu}_e \]

這題的陷阱是只注意釋放出的 β 粒子。真正重要的資訊,是原子核在釋放粒子前後發生了什麼變化。

問題 4

兩個放射性原子核具有相同的質量數。原子核 A 比原子核 B 多一個中子。原子核 A 發生 β⁻ 衰變。

解釋衰變後的中子數和質子數會如何變化,並比較衰變後的新原子核與原子核 B。

解答 4

β⁻ 衰變後,原子核 A 的中子數減少 1,質子數增加 1,因此它的中子與質子數量會與原子核 B 相同。

β⁻ 衰變會造成以下變化:

\[ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \]

對於原子核 A:

  • 中子數減少 1,
  • 質子數增加 1,
  • 核子總數保持不變。

由於 A 起初比 B 多一個中子,衰變後的原子核便可能與 B 具有相同的中子數和質子數。

這題的陷阱是以為原子核只是失去一個中子。如果真是如此,原子序便不會增加。實際上,中子是轉變了身分。

問題 5

一名科學家觀察到某個未知原子核正在發生 β⁻ 衰變。衰變後的原子核是穩定的。科學家注意到,衰變後的原子核比原本的原子核少了中子,但質量數相同。

另一名科學家提出以下說法:

「原本的原子核一定是失去了一個中子,因此衰變後的原子核應該是同一元素的另一種同位素。」

判斷哪一種解釋正確,並運用守恆定律說明理由。

解答 5

第一種解釋正確:中子轉變成了質子,而不是單純離開原子核。

在 β⁻ 衰變中:

\[ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \]

質量數保持不變,因為核子總數沒有改變。然而,中子數減少 1,質子數則增加 1。

第二名科學家的解釋之所以容易令人相信,是因為衰變後的原子核確實含有較少的中子。如果只是單純釋放出一個中子,衰變後的原子核便會保留相同的原子序,並成為同一元素的另一種同位素。然而,β⁻ 衰變的特徵是會釋放電子,而且質子數會增加。

決定性的條件是電荷守恆。中子轉變成質子會使原子核多出一個正電荷,因此釋放出的電子會帶走一個負電荷。元素必須改變。

這就是為什麼 β 衰變並不是讓原子核變小的過程,而是讓原子核改變身分的過程。理解這個概念後,核反應方程式就會容易得多,因為你是在追蹤哪些量發生了變化,而不是單純背誦符號。