下圖,S 曲線為穩定核種,區域Ⅱ會因原子核不穩定,主要進行何衰變模式? 
詳細解析
本題觀念
核種在 N-Z 圖上的位置,反映質子數 Z 與中子數 N 的組合;穩定核種會分布在穩定曲線附近。判讀這張圖時,先觀察區域Ⅱ相對於 S 曲線的位置,再把衰變造成的核子數變化對回圖上方向。區域Ⅱ位於穩定曲線右下側,代表在相近 Z 下中子較少、質子相對過多,主要需要把質子轉成中子,才能向穩定區移動。這類圖形題不能只背衰變名稱,必須同時追蹤 Z、N 與 A 的變化,才不會把 β⁺ 和 β⁻ 的方向混淆。
影像分析
圖中以 S 曲線標示穩定核種分布,區域Ⅱ位於曲線的右下側。沿著圖的座標意義判讀,該區域相對穩定曲線呈現缺中子、質子過多的特徵;這不是富中子側的區域。這個位置判定是本題的起點,不能只看選項中的 decay 名稱,而要先確認核種偏離穩定曲線的方向。再以每一個選項所代表的 Z、N 變化檢查是否朝向曲線,而不是依英文字面猜答案。
選項分析
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A 不正確。 α 衰變放出由 2 個質子與 2 個中子組成的 α 粒子,因此 Z 與 N 都減少 2,核子數也減少 4。它常見於很重的原子核藉由同時減少兩種核子而降低能量,並不是區域Ⅱ這種缺中子、質子相對過多核種回到穩定曲線的主要轉換。
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B 不正確。 β⁻ 衰變是核內一個中子轉成質子,同時放出電子與電子反微中子;因此 N 減少 1、Z 增加 1,核子數維持不變。這會把富中子核種往穩定區推進,方向與圖中區域Ⅱ的缺中子特徵相反。
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C 正確。 β⁺ 衰變是核內一個質子轉成中子,放出正電子與電子微中子;因此 Z 減少 1、N 增加 1,核子數仍不變。對於質子相對過多的區域Ⅱ,這個核子轉換可使核種朝穩定曲線移動,所以 C 符合圖示與核衰變規則。
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D 不正確。 n decay 表示放出中子,會使 N 減少而 Z 不變,主要與中子過多、或激發核有中子未束縛的情況相關。它不能修正區域Ⅱ的缺中子狀態,故不是本題所問的主要衰變模式。
答案解析
解題要把「位置」和「核子轉換」連在一起。區域Ⅱ在穩定曲線右下側,表示質子相對多、中子相對少;要往 S 曲線靠近,就需要降低 Z、增加 N。β⁺ 衰變恰好使一個質子轉成一個中子,Z 減 1、N 增加 1,而核子數不變。β⁻ 則造成相反變化,α 衰變同時減少 2 個質子與 2 個中子,n decay 會再減少中子,均不符合圖示方向。因此本題答案為 C:β⁺ decay。
核心知識點
- β⁺ 衰變: p → n + e⁺ + νₑ;原子序 Z 減 1,中子數 N 增加 1,核子數 A 不變。這個轉換會讓核種在 N-Z 圖上朝較低 Z、較高 N 的方向移動,適合修正質子相對過多的核種。
- β⁻ 衰變: n → p + e⁻ + ν̄ₑ;Z 增加 1,N 減少 1,A 不變。
- α 衰變: 放出 ⁴He 核,Z 減 2、N 減 2、A 減 4。
- 中子放出: Z 不變、N 減 1、A 減 1,常見於中子過多或粒子未束縛的核種。
- 穩定曲線判讀: 缺中子、質子過多側優先聯想到 β⁺ 衰變或電子捕獲;富中子側則優先聯想到 β⁻ 衰變。
- β⁺ 與電子捕獲的區別: 兩者都使質子轉成中子,但 β⁺ 會放出正電子;電子捕獲則由原子捕捉軌域電子,沒有正電子從核內射出。兩者都可處理質子過多,但題目明確列出 β⁺ 時,應依圖示位置與選項定義選擇 β⁺。
- 圖形判讀順序: 先定位穩定曲線,再判斷核種是富中子或缺中子,最後比較衰變後 Z、N 的增減;這個順序能避免把座標方向或衰變粒子名稱混為一談,也能把圖形判讀轉成可核對的核子數守恆推理,並能清楚區分 Z 改變與 A 不變這兩個常考重點;這個判讀方法也可行。