β粒子

$$\beta$$ 粒子(Beta Particles)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

$$\beta$$ 粒子(beta particles)指具有高能量、高速的電子或正子(positron)。當放射性核種進行 $$\beta$$ 衰變(beta decay)時，除了產生衰變後的原子之外，還會同時高能粒子，這些高能粒子因而被命名為 $$\beta$$ 粒子。而由於 $$\beta$$ 衰變又分為 $$\beta^+$$ 與 $$\beta^-$$ 衰變，分別產生正子與電子，因此正子與電子又分別被稱作為 $$\beta^+$$ 與 $$\beta^-$$ 粒子。

以一個 $$\beta^-$$ 衰變為例：

$$n\rightarrow p+e^-+\overline{v_e}$$ （式一）

（式一）中，單獨的一個中子 $$(n)$$，或是原子核當中的一顆中子，可以透過 $$\beta^-$$ 衰變而得到質子 $$(p)$$，還可以得到高能的電子 $$(e^-)$$，以及伴隨電子產生的反電子微中子($$\overline{v_e}$$, antineutrino)。

這一個衰變是由於弱力(weak interaction)的因素：中子發射了一個虛擬的 $$W^-$$ 玻色子($$W^-$$ boson)，而這個 $$W^-$$ 玻色子，可以將中子當中的一個下夸克(down-type quark)，轉變為一個上夸克(up-type quark)。而中子由兩個下夸克與一個上夸克組成，質子則由兩個上夸克與一個下夸克組成。也因此，既然一個下夸克被轉變成上夸克，那麼中子也就會轉變成質子了。而電子以及反電子微中子的來源，則是透過方才提到的虛擬 $$W^-$$ 玻色子的衰變。

$$\beta^+$$ 衰變則是：

$$p\rightarrow n+e^+v_e$$（式二）

一個質子 $$(p)$$ 衰變得到一個中子 $$(n)$$、一個正子 $$(e^+)$$，以及一個電子微中子 $$(v_e)$$。

一般而言 $$\beta^-$$ 衰變較常出現，經常出現在一些中子較多的放射性原子核當中，或者是偶爾出現的單獨中子，也會以約 $$10$$ 分鐘的半衰期衰變。而 $$\beta^+$$ 衰變則較為罕見，一般而言出現在質子過多的情況，才容易出現 $$\beta^+$$ 衰變後的子核(daughter nucleus)較母核(mother nucleus)鍵能較高的情形。

將放射性物質常見的三種射線互相比較，$$\beta$$ 粒子的穿透力相較於 $$\alpha$$ 粒子來的好，然而比 $$\gamma$$ 射線來的差。雖然 $$\beta$$ 粒子的穿透力，隨著其被賦予的速度與 能量而有所不同，然而一般而言，金屬板或者是鋁箔就可以擋下絕大多數的 $$\beta$$ 粒子。

然而，這並不代表著 $$\beta$$ 粒子的破壞力就比較低；當 $$\beta$$ 粒子通過帶正電的粒子附近時，由於兩者的靜電作用力使其互相吸引，$$\beta$$ 粒子就會減速，此一動能會轉換為X光的連續光譜，稱之為致動輻射(bremsstrahlung)。一般的X光相關儀器的光源，有不少即是透過致動輻射的原理。

圖一、三種放射性物質的穿透力比較圖。α粒子不能穿透紙，β粒子可被鋁箔阻擋，γ射線甚至可以穿透水泥牆，需要以鉛板隔絕。(圖片來源：WIKIPEDIA—Beta particle )

除此之外，$$\beta$$ 粒子還有著相當多的應用：例如放射性同位素鍶-90，在工業上可作為測厚儀，而在醫學上，由於其與鈣的化學相似性，經常作為骨癌的放射性治療；而碘-131則由於碘經常積累於甲狀腺當中，因此亦常作為甲狀腺癌的放射性治療，透過 $$\beta$$ 粒子來確實清除殘餘的癌細胞。

資料來源
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 979-981.
2. WIKIPEDIA—Beta particle  http://en.wikipedia.org/wiki/Beta_particle
3. WIKIPEDIA– Neutron   http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron
4. WIKIPEDIA– Strontium-90  http://en.wikipedia.org/wiki/Strontium-90
5. WIKIPEDIA– Iodine-131  http://en.wikipedia.org/wiki/Iodine-131