β射线

β射线（beta ray）^[2]为β衰变时从原子核放射出的高能、高速的电子或正电子。β衰变可分为β−衰变和β+衰变，分别产生电子和正电子。β−就是通常的电子，带有一个单位的负电荷，负电子是稳定的。β+是正电子，带有一个单位的正电荷。两种电子的静止质量相同，其质量约为质子质量的1/1846。^[7][8]贯穿本领比α粒子强，电离能力比α粒子弱。^[4]β射线是英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）^[6]于1989年发现的。^[5]

β射线主要来源于放射性核素的衰变，如氚chuān、碳-14和锶sī-90等都可以自发发射β射线。^[4]β射线与物质发生相互作用时，其能量损失与运动轨迹与重带电粒子不同，电子与靶物质的相互作用，主要有电离能量损失和辐射能量损失，而多次散射则导致电子在物质中运动轨迹十分曲折。^[1]β射线可以电离有机生物分子，包括细胞内行使功能的蛋白质、DNA、RNA等大分子，破坏其分子结构进而损害细胞和组织。^[9][10]所以要进行防护，其方法主要是时间、距离和屏蔽三方面。^[9]β射线在医学领域应用广泛，比如利用放射性核素发射的β射线，对肿瘤进行照射，达到止痛和破坏肿瘤组织的作用。还可用作示踪剂。^[11][12]

射线是粒子流，粒子含一个单位负电荷，质量接近0。粒子其实就是电子。^[13]

1896年，法国科学家贝克勒尔（Henri Becquerel）在研究硫酸铀yóu酰xiān钾的磷光问题时发现了铀的天然放射性。随后科学家们便开始了对放射线的性质、来源等进行研究。^[14]1898年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）^[6]发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为射线；另一种有效强的穿透能力，他称之为射线。^[5]1901-1902年间，德国物理学家考夫曼 （Walter Kaufmann）对射线进行了一系列研究，他在实验中发现射线电子的速度分布在一个很大的范围内，最大可达光速。1900年，贝克勒尔测定了射线的荷质比，确定射线就是电子流。1902年，考夫曼根据实验数据计算得出，在低速情况下射线电子的质量与阴极射线电子的质量在误差范围内相同。^[15][16]

许多放射性核素能自发发射射线，如氚、碳-14和锶-90。^[4]原子核的衰变发射的射线有两类：射线和射线。射线就是通常的电子，射线为正电子，属于直接电离辐射。原子核的衰变发射电子或正电子的能谱是连续谱。^[1]

衰变是中子转变成质子时产生的，即下述过程释放出射线：。衰变将导致核素的中子数减小个单位，质子数增加个单位，质量数不变。生成的新核素的核电荷数增加个单位，在元素周期表中向母核的右边位移一格。^[13]

衰变一般表示形式为，衰变过程的物理机制现在还并不完全明确，所以不能认为衰变是由于核内的一个质子衰变成为中子引起的。人们估计质子的寿命大于年。因此，我们不能用质子衰变过程解释核的衰变。^[17]

在β − 衰变时，弱相互作用将原子核转变为原子序数增加一的原子核，同时发射电子（e-）和电子反中微子（νe）。β- 衰变通常发生在富中子核中。^[18]通用方程为：

其中，和是衰变核的质量数和原子序数，和分别是初始元素和最终元素。^[19]

射线是高速运动的电子流，带负电荷，质量很小，约为质子质量的1/1846，^[8]但是贯穿本领比粒子强，电离能力比粒子弱。射线在空气中的射程，因其能量不同而有较大差异，一般为几米。通常用一般的金属板或有一定厚度的有机玻璃板就可以较好地阻挡β射线对人的照射。^[4]

电离和激发

带电粒子可以直接使原子电离或激发，非带电粒子则通过次级效应产生次级带电粒子使原子电离或激发。带电粒子与物质原子中核外电子的非弹性碰撞也会导致原子的电离或激发。^[7]射线电离较小，其射程比大。^[20]

散射和吸收

一平行束射线穿过吸收物时，随着吸收介质厚度的增加呈指数减弱的规律，即：

其中，代表吸收介质厚度为零时的β射线计数率，代表吸收介质的线性厚度或质量厚度，代表介质的β射线减弱系数。对射线的吸收介质达到一定厚度后，n不再减少，称此范围内的计数率为本底计数率，它由轫致辐射和测量装置本底组成，以吸收曲线后部区域直线趋势外推与横轴相交点Rmax称为β射线最大射程。射线减至原来一半的吸收介质厚度称为半值层(HVL)，射线的最大射程约为其半值层的7~8倍。^[20]

电磁辐射

当β射线(电子)穿过介质时，其速度与光在介质中的传播速度可比时, 可以产生一种电磁辐射(微弱的可见光)，这种辐射广泛地用来探测高能粒子。^[20]

正负电子湮没

原子核β+衰变会产生正电子，快速运行的正电子通过物质时与负电子一样同核外电子和原子核相互作用产生电离损失、轫致辐射和弹性散射。能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同；自由电子是不稳定的，正电子与介质中的电子会发生湮灭，快速运行的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外，还会产生0.511MeV的γ湮灭辐射。^[7]

粒子对物质的电离或激发效应是辐射检测仪器检测和测量辐射的基本过程。气体电离用于电离室和盖革-穆勒计数器，闪烁体的激发用于闪烁计数器。下表显示了SI和非SI单位的辐射量：

名称单位符号导出量年分换算成SI制放射性活度 (A)贝克勒尔Bqs−11974SI单位居里Ci3.7 × 1010 s−119533.7×1010 Bq卢瑟福Rd106 s−11946106 Bq辐射暴露 (X)库仑/千克C/kgC⋅kg−11974SI 单位伦琴Rerg / 0.001293 g19282.58 × 10−4 C/kg吸收剂量 (D)戈瑞GyJ⋅kg−11974SI 单位尔格/克erg/gerg⋅g−119501.0 × 10−4 Gy雷德rad100 erg⋅g−119530.010 Gy等效剂量 (H)西弗SvJ⋅kg−1 × WR1977SI 单位雷姆rem100 erg⋅g−1 x WR19710.010 Sv有效剂量 (E)西弗SvJ⋅kg−1 × WR × WT1977SI 单位雷姆rem100 erg⋅g−1 × WR × WT19710.010 Sv数据来源^[21][22][23]

贝塔衰变可以被认为是量子力学中描述的微扰，因此可以应用费米黄金法则。射线动能谱的表达式如下：

其中，是动能，是形状函数，是费米函数，是衰变的电荷最终态核，表示总能量，表示动量，是衰减的值，发射的中微子的动能由减去的动能给出。^[24]

射线具有一定的穿透本领和电离能力，可以电离有机生物分子，包括细胞内行使功能的蛋白质、DNA、RNA等大分子以及其他有机小分子，从而使这些分子结构被破坏，或者带上电荷，让有机分子不稳定、发生重排或者产生对机体有害的自由基，损害细胞和组织。引起组织表层的损伤，如引起皮炎。^[9][10]

不同的照射方式，如不同剂量不同途径等，对效应有影响。一般来说，β放射性核素，当剂量降低时，效应发生率及其严重性也降低；相同的放射性核素，吸入比食入可能更容易造成伤害。不同个体和组织器官受到辐射后的效应差异很大。胎儿、儿童和青少年对辐射的敏感性高于成人。男性与女性由于生理方面不同，效应也不同。^[25]

1950年，国际伦琴射线会议规定对外部照射的最高允许剂量为：X射线、射线以及射线对职业性工作人员照射的每年最高允许剂量为5雷姆（rem），对手和前臂的每年最高剂量当量为75雷姆（rem）。^[9]

从保护人的健康考虑，既要注意防止外部β射线的直接照射，防止高能β粒子可能引起的皮肤烧伤，也要防止吸入被β放射性物质污染的空气或食入污染的食物，并避免皮肤（特别是伤口）被污染。^[4]辐射防护的主要方法是时间防护、距离防护和屏蔽防护。^[9]

时间防护的要点是尽量减少人体与射线的接触时间。由于在辐射场内的人员所受照射的累积剂量与时间成正比，因此在照射率不变的情况下，缩短照射时间便可减少所接受的剂量。^[9]

距离防护的要点是尽量增大人体与射线源的距离。由于辐射场中某点的照射量、吸收剂量均与该射线源的距离的平方成反比，因此增加射线源与人体之间的距离便可减少照射量。^[9]

屏蔽防护的要点是在射线源与人体之间放置一种能有效吸收射线的屏蔽材料。射线用薄层的铝或塑料等物质就可屏蔽。^[9]

β 粒子可用于治疗眼癌和骨癌等疾病，也可用作示踪剂。^[11][12]射线可用来治疗良性前列腺增生症，该病是老年男性的常见病和多发病，据统计在老年人群中此病发生率超过50%。列腺增生治疗器依靠射线的电离效应 、部分轫致辐射和多次散射等作用，使增殖旺盛的细胞受到抑制、破坏，进而使前列腺体萎缩或产生其它退行性改变，减轻对尿道的压迫和阻塞，从而使排尿困难得以缓解和顺畅。^[3]

锶-90是最常用来制造β粒子的材料。^[26]β粒子也可用于产品厚度的测量，部分的β粒子在射向产品时会穿过去。如果产品太薄或太厚，其吸收的辐射量也会不同。监管品质的仪器便会透过辐射量调整产品厚度。^[27]

同位素放射性标记物的β+（正电子）衰变是正电子发射电脑断层扫描（PET scan）中正电子的来源。^[28]