贝塔衰变是由弱相互作用支配的一种放射性过程，其中中子转变为质子，或质子转变为中子。在两种主要的粒子发射模式中，原子核释放一个电子和一个反中微子，或一个正电子和一个中微子。发射出的带电粒子称为贝塔粒子。与之密切相关的电子俘获过程也会产生同类的核转变，但不发射贝塔粒子。贝塔衰变会改变原子所属的化学元素，却保持原子核内质子与中子的总数不变。(energy.gov)
主要衰变模式
在贝塔负衰变（β⁻）中，一个中子转变为一个质子，同时产生一个电子和一个电子反中微子：
[ n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}_e. ]
对于原子序数为 (Z)、质量数为 (A) 的原子核，这一转变可表示为
[ {}^{A}{Z}X\rightarrow{}^{A}{Z+1}Y+e^-+\bar{\nu}_e. ]
因此，子核比母核多一个质子、少一个中子。例如，碳-14 就通过这一过程衰变为氮-14。电子是在衰变过程中产生的，并非事先储存在原子核中的电子。(www2.lbl.gov)
在贝塔正衰变（β⁺）中，原子核内的一个质子转变为一个中子，同时产生一个正电子和一个电子中微子：
[ p\rightarrow n+e^++\nu_e. ]
此时 (Z) 减少一，而 (A) 保持不变。与自由中子不同，孤立的质子不能自发发生这一转变：只有整个原子核体系的转变在能量上允许时，才能发射正电子。富中子核通常发生贝塔负衰变，而富质子核则可能发生贝塔正衰变。(www2.lbl.gov)
在电子俘获过程中，原子核从周围的原子电子云中吸收一个电子：
[ p+e^-\rightarrow n+\nu_e. ]
与贝塔正衰变一样，这一过程使原子序数减少一，而质量数不变。将其归入“贝塔衰变”，是因为二者具有相同的弱相互作用机制，而不是因为它会发射贝塔粒子。(www2.lbl.gov)
微观机制与守恒定律
在标准模型中，贝塔衰变是由W玻色子介导的带电流弱相互作用过程。在夸克层面，中子的贝塔衰变使一个下夸克转变为上夸克，从而将中子的夸克组成变为质子的夸克组成。一个虚 (W^-) 将这一转变与电子和反中微子的产生联系起来。相应的核内质子向中子的转变，则使夸克味沿相反方向改变。(s3.cern.ch)
这些反应遵守电荷、能量、动量和角动量守恒。普通贝塔衰变也遵守轻子数守恒：电子与反中微子的轻子数互为相反数，正电子与中微子也是如此。这些发射出的轻子是相互作用的产物，并非原子核中预先存在的组成粒子。(www2.lbl.gov)
能谱与衰变率
同一种核跃迁产生的贝塔粒子，其动能分布在一个连续范围内。可用能量由带电粒子、中微子或反中微子，以及反冲的子核共同分配。因此，与简单二体衰变发射的粒子不同，贝塔粒子通常不会获得某个固定的能量。其能谱的上限称为端点。(www2.lbl.gov)
只有当完整的末态在能量上允许时，这一转变才可能发生。核结合能和粒子静止能的差异决定了可用的衰变能。自由中子是不稳定的，但束缚在稳定原子核内的中子不一定会衰变，因为相应的子核体系可能在能量上不允许形成。因此，贝塔衰变寿命取决于具体的同位素和核跃迁。(www2.lbl.gov)
对于衰变常数 (\lambda) 保持不变的一群原子核，未衰变母核数的期望值满足
[ N(t)=N_0e^{-\lambda t}, \qquad t_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda}. ]
半衰期 (t_{1/2}) 是一半母核发生衰变所需的时间。它描述的是原子核群体的行为，而不是某个原子核预定的寿命。(www2.lbl.gov)
历史意义
连续的贝塔能谱起初使人们难以将放射性衰变解释为能量守恒的过程。1930 年，沃尔夫冈·泡利提出还存在一种中性粒子，可以带走未被观测到的能量和动量。恩里科·费米随后建立了贝塔衰变理论，并于 1934 年发表，将这种后来被称为中微子的粒子纳入其中。(katrin.kit.edu)
贝塔衰变还提供了决定性证据，表明弱相互作用不遵守宇称守恒，即不具有镜像反演对称性。1956 年末，吴健雄及其合作者在美国国家标准局开展实验，测量了自旋定向排列的钴-60 原子核发射电子时的不对称性。实验结果于 1957 年发表，证明弱相互作用过程能够区分互为镜像的构型。(nist.gov)
双贝塔衰变与相关研究
在双贝塔衰变中，原子核发生涉及两次贝塔转变的变化。已观测到的双中微子贝塔负衰变模式会产生两个电子和两个电子反中微子。其假设中的对应过程——无中微子双贝塔衰变——则会发射两个电子，而不伴随反中微子。对这一过程的搜寻旨在探究中微子是否是其自身的反粒子，以及轻子数守恒是否可能被破坏。(energy.gov)
普通贝塔能谱也提供了直接研究中微子质量的方法。KATRIN实验测量氚贝塔衰变端点附近的电子能谱，中微子质量会影响这一区域的能谱形状。这类测量利用衰变运动学，而非仅根据中微子振荡来推断质量。(katrin.kit.edu)