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2021-03-01弱交互作用與費米理論 615 期

Author 作者 張峻輔／清華大學高能理論物理博士、高雄中學物理科教師，於雄中開設《夸克、黑洞、相對論》多元選修課程，講授粒子物理學與相對論。
物理費米交互作用弱交互作用β衰變弱作用力四大基本作用力
我們對於弱交互作用的認識，起源於對放射性元素的研究。1896年法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）無意間發現鈾鹽具有天然放射性，開啟了物理學家與化學家們對於放射性元素的探索，也導致了日後對於人工放射性與原子核物理的研究。

1899年，拉塞福（Ernest Rutherford）根據不穩定的化學元素發生天然衰變後產生射線的穿透能力，與其導致氣體電離的能力，將元素的衰變分為a與b衰變。因當時尚不知原子核的存在，甚至連原子是否存在，在科學家之間也普遍存有歧異，拉塞福的合作者索迪（Frederick Soddy）暫且將這個現象稱為化學元素之間發生「嬗變」（transmutation），而兩人也因對元素蛻變及放射性物質的研究，分別榮獲1908年與1921年的諾貝爾化學獎。

β衰變連續能譜之謎

衰變是一種典型的二體衰變，也就是不穩定的母核X衰變成子核Y，並釋放出射線（氦原子核），例如鐳—226（radium-226, Ra）原子核衰變成氡—222（radon-222, Rn）原子核與氦核（）。二體衰變的最大特點是產物原子核Y與粒子的動能皆為定值，大小可由反應前後的質量虧損，藉由質能互換關係確定，而測量粒子的動能的確也符合計算結果。然而對於放射性原子核的衰變所輻射出的射線（即電子e-）所形成的連續能譜研究，卻難倒當時一大票物理學家（圖一）。


圖一:放射性元素鉍－210（bismuth-210, 210Bi）的β衰變能譜圖
橫軸為輻射出的電子動能，縱軸為對應到該動能的電子數目，可明顯看出放射電子的動能並非單一量值，而是呈現連續分布。

衰變是指放射性原子核，在釋放高能射線與反微中子後轉變成另一種原子核的過程，例如古生物學中經常使用的碳14定年法，就是利用不穩定的碳—14（carbon-14, 14C） 原子核經衰變成氮—14（nitrogen-14, N14）原子核後，測定古生物體內殘留碳—14與碳—12的比例，再比較大氣中恆穩的碳—14與碳—12比例，從而推估該生物存活的年代……【更多內容請閱讀科學月刊第615期】

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