最后更新：2023年5月7日

什么是β放射性？

β粒子的能谱。作者：Sprawls教育基金会。β粒子的平均能量小于衰变的最大能量，这似乎与热力学第一定律相悖。为解决这一悖论，沃尔夫冈·泡利于1930年提出，"缺失"的能量由另一种尚未发现的粒子携带，他将其命名为中子，1933年恩里科·费米将其改称为中微子，并于1956年在实验中被观测到。

β放射性的谜题

β放射性是一种放射性类型，其中不稳定的原子核会发射出β粒子，该粒子可以是电子（β-）或正电子（β+）。当原子核不稳定时，它会通过释放多余能量来趋于稳定。在β放射性中，衰变通过将中子或质子转化为β粒子以及中微子或反中微子而发生。因此，在β-衰变中，中子转化为质子和电子，原子核发射出电子；在β+衰变中，质子转化为中子和正电子，原子核发射出正电子。在中微子被发现之前，科学家观察到放射性衰变过程中似乎存在能量和动量守恒被违反的情况。例如，在β衰变中，不稳定的原子核发射出β粒子和中微子（或反中微子）。但当时科学家不知道中微子，发现发射出的β粒子的动能并不等于衰变的总能量，这违反了能量守恒定律。热力学第一定律指出能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。在这种转化中，能量竟然缺失了！因此，人们不得不考虑放弃能量守恒以及时间平移下物理定律的不变性。这一想法曾被考虑，但会对物理学产生深远影响。这就是所谓的β放射性之谜！事实上，时间平移不变性是物理学的基本原理，支撑着许多理论和发现，包括爱因斯坦的狭义相对论和量子力学，有助于理解复杂物理系统的动力学以及能量和动量守恒等现象。为了解决β放射性之谜，奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利（1900-1958）提出，衰变产生的不是两种粒子而是三种。在这一假设下，能量守恒定律得以保全。“……我发现了拯救能量守恒定律和统计规律的意外方法。这涉及原子核中可能存在自旋为半整数、遵循泡利不相容原理的中性粒子，但它们与光子不同，不以光速运动，我称之为‘中子’。”——沃尔夫冈·泡利，苏黎世，1930年12月4日致图宾根一场他无法参加的会议的信件。泡利认为他的粒子非常轻，不带电荷，与物质相互作用极弱，这解释了它难以被探测的原因。1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克（1891-1974）发现了一种真正的亚原子粒子，其质量与质子相似，但呈电中性。查德威克称这种粒子为“中子”，但这与泡利提出的假设粒子完全不同。恩里科·费米利用沃尔夫冈·泡利关于存在额外粒子的假设，发展了β衰变的第一个详细理论。正是他给这种粒子取名为“中微子”（意为“小中子”）。费米为泡利提出的假设粒子选择这个名字，是因为他发现这种粒子不带电荷，不易与物质相互作用，难以探测。“中微子”这一名称因此反映了这些粒子特性。直到1956年，弗雷德里克·莱因斯（1918-1998）和克莱德·考恩（1919-1974）在美国洛斯阿拉莫斯实验室通过实验发现了中微子的存在，而这一存在在几十年前已由泡利和费米从理论上提出。