1.3.3 β衰变
β衰变是指原子核自发地发射一个β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。β粒子是电子和正电子的统称。电子和正电子的质量相同，电荷大小也相等，但是电性相反。电子带一个单位负电荷，正电子带一个单位正电荷。为了区分，我们把发射一个电子的衰变叫作β-衰变，发射一个正电子的衰变叫作β+衰变。另外还有一种衰变方式是原子核直接俘获一个核外电子，叫作轨道电子俘获（electron capture，EC）。俘获K层电子的，叫作K俘获；俘获L层电子的，叫作L俘获。一般来说，由于K层电子靠近原子核，因此K俘获的概率最大。
与α衰变时发射出来的离散的α粒子能谱不同，β粒子的能谱不是离散的，而是连续的。也就是说，β衰变时发射出来的β射线，其强度随能量变化是连续分布的。β射线的能量是连续分布的，这一现象在早期是很难理解的，因为大量事实证明衰变过程发出的α射线和γ射线的能量都是离散的。这与原子核的离散的能量状态相一致。既然β射线也是从原子核中射出的，那么它的能量似乎也应该是离散的。但是无数实验表明，β能谱是连续分布的，其最大能量Eβ，max正好等于衰变能。实验结果看上去与能量守恒定律相矛盾。为了解释这种矛盾，泡利于1930年至1933年间提出了β衰变放出中微子的假说，成功解决了上述矛盾，假说也被日后的实验所证实。泡利的中微子假说告诉我们，原子核在β衰变过程当中不仅放出一个β粒子，还放出一个不带电的中性粒子，它的质量很小几乎为0，叫作中微子，符号为v。这时β衰变过程中的动量守恒涉及三个物体，即β粒子、中微子和反冲核，由于三个物体从一点分离时，它们之间的角度可以出现各种状况，这些状况都满足动量守恒，因此β衰变的能谱是连续的。当中微子动量为零时，可以从动量守恒和能量守恒定律得到下式：
其中，反冲核的质量m R远远大于电子质量me，m Rc2也远远大于Eβ，因此后两项可以忽略，此时β射线的动能Eβ与衰变能Ed几乎相等，为最大值。
当中微子的动量与反冲核的动量大小相等、方向相反时，电子动能最小，为0。
所以，对于一般情况，β粒子的动能介于两种极端情况之间，是一条在0和Eβ，max之间连续分布的曲线，如图1.13所示。
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图1.13 典型β能谱
将中微子考虑在内，β衰变的三种类型β-衰变、β+衰变、轨道电子俘获可以分别用式（1.42）、式（1.43）和式（1.44）表示：
其中，X和Y分别表示母核和子核对应的核素。
β衰变的本质在于衰变过程中原子核中一个中子转变成一个质子或者一个质子转变成一个中子。对应的过程可以写作：
在发生轨道电子俘获时，原子核外电子内层会出现空洞，电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞并释放出能量，虽然能量有时以光子的形式被释放出来，这种能量也可以被转移到另一个电子，导致其从原子被激发出来。这个被激发的电子就是俄歇电子。这个过程被称为俄歇效应，以发现此过程的法国物理学家P.V.俄歇命名。