β射线放射性的一种可能的解释

梅格纳德·萨哈，道拉特·科塔里

编者按

放射性β衰变是最令人困惑不解的。与α粒子不同，β粒子的能量不是固定的，而是存在一个很宽的范围，物理学家们已经证实这些能量是核过程本身产生的，并非电子与壳层电子相互作用的结果。两位印度物理学家梅格纳德·萨哈和道拉特·辛格·科塔里在本文中提出：由于最近发现γ光子可以产生一个电子和它的反粒子——正电子，这个谜有可能会随之得到破解。在这个过程中产生的电子也许会具有一定的动能，这取决于光子的能量。这种尝试性的解释看似前景光明，但那时的物理学家对弱核力和中微子仍一无所知，而只有了解了弱核力和中微子，才能得到这个问题的正确解释。　　英文

放射性物质的β射线放射性一直以来都是一个非常令人困惑不解的问题。在伽莫夫的《原子核的结构》（第52～54页）及卢瑟福、查德威克和埃利斯的《放射性物质的辐射》（第385页）等著作中都总结了一些有争议的论点。玻尔在法拉第讲座（1930年）中也对这些观点进行了详细的讨论。　　英文

简言之，争论的主要方面是：原子有确定的衰变寿命以及每个发生衰变的原子发射一个电子这些事实已经证明原子的衰变是一个单一的过程，但是由放射性物质放射出的衰变电子（β射线）并没有像α射线那样具有单一的速度，而是出现了速度分布在一个很大范围内的情况。人们还进一步证明了速度的连续分布与核过程有关，而与核外电子壳层的作用无关。　　英文

最近，安德森、尼德迈耶以及居里、约里奥进行了硬γ射线轰击原子核产生正电子的实验，在此基础之上看似可以给出关于β衰变的一个非常简单的解释。布莱克特和奥基亚利尼对这些实验的解释是：一个γ粒子在原子核附近转化成了一个负电子和一个正电子。居里和约里奥为这个观点提供了进一步的证据，他们的实验表明钍C″的γ射线（能量为2.6×106电子伏特）在所有的材料中都会转化为一个负电子（质量为9×10－28克，能量为m0c2=0.51×106电子伏特）和一个正电子（质量和能量与负电子相同），多余的能量除了分配给正负两个电子作为动能外，还将分配给剩余的量子，他们把这种现象称为“光量子的物质化”。他们进一步指出，质子具有复杂的内部结构，包括一个中子和一个正电子。布莱克特和奥基亚利尼指出，格雷和塔兰特观察到的反常γ射线吸收也能用此进行解释，但根特纳发现，能量在1.1百万电子伏特以上的γ射线才能发生这种反常吸收过程。　　英文

这个发现已经被很多研究人员所确认，当然也必定有着非常重大的意义，因为这是第一次在实验基础上确立：一个量子可以劈裂成两个带有相反电荷的粒子。很多天体物理学家都认为一个质子和一个电子有可能会发生湮灭并且将其质能转化为量子，但是实际的过程，正如在实验中所看到的那样，是很难发生的。因为一个量子会分裂成一对带相反电荷但质量相等的粒子，并且其中的正电子会被中子吸收形成质子，由此可以认为质子具有复杂的结构。因此，这个现象并不是居里和约里奥所说的“量子的物质化”过程，因为中子看似一个有质量的基本粒子，但是它却存在于量子分裂成两个电量相反的电荷的过程中。我们可以把这个过程称为“量子的电分离”。　　英文

那么，让我们来看看β射线的放射性该如何解释。如果外部量子轰击原子核时会引发“量子的电分离”，那么在该原子核内部产生的γ射线更有可能会完全分裂成一个负电子和一个正电子。电子将以β射线的形式发射出来，但是如果这个分裂过程发生在势垒当中，那么正电子就不能被发射出来。正电子将和存在于原子核中的大量中子当中的一个相结合，形成一个质子。这样，原子核的正电量将因此增加一个单位。　　英文

而β射线能量的连续分布也不难解释。γ射线可以在原子核中的任意位置发生“内部电分离”，这样，γ射线转化产生的电子的速度就会在很宽的范围内变化。只有得到更多的实验数据，我们才能进行严格的数学计算。和中子结合的正电子将产生软γ射线，这种软γ射线经常出现在β衰变反应中。　　英文

根据上面的观点，β射线的发射只是一个二级过程，初级γ射线的产生才是引发这个反应链的最初原因。现在我们可以问问自己：这种γ射线是如何产生的呢？一定是因为一个α粒子或者一个质子从一个势垒穿越到另一个势垒而产生的。伽莫夫以及康登和格尼曾经以放射性原子核中只存在一个势垒出发解释了具有确定速度的α射线的放射，但是一些争论表明，原子核中可能会有不止一个势垒。在一个α粒子穿越一个势垒来到另一个势垒的过程中产生了引发β衰变链的γ射线。所以β射线放射性的周期取决于α粒子或质子从一个势垒到另一个势垒所用的时间，这就解释了为什么β射线的寿命周期和α射线的寿命周期有相同的量级并且有确定量值。　　英文

（王静　翻译；尚仁成　审稿）