原子核自發地放射出β粒子或俘獲一個軌道電子而發生的轉變。放出電子的衰變過程稱為β-衰變；放出正電子的衰變過程稱為β+衰變；原子核從核外電子殼層中俘獲一個軌道電子的衰變過程稱為軌道電子俘獲，俘獲K層電子叫K俘獲，俘獲L層的叫L俘獲，其餘類推。通常，K俘獲的幾率量大。在 β衰變中，原子核的質量數不變，隻是電荷數改變瞭一個單位。
β衰變的半衰期分佈在接近10>-2秒到1018年的范圍內，發射出粒子的能量最大為幾兆電子伏。β衰變不僅在重核范圍內發生，在全部元素周期表范圍內都存在β放射性核素。因此，對β衰變的研究比α衰變的研究更重要。
β衰變中，原子核發生下列三種類型的變化：
其中X和Y分別表示母核和子核，A和Z為母核的質量數和質子數，e-和e+為電子和正電子，v和V為中微子和反中微子。
β衰變能分別表示為
其中mx和my為母核原子和子核原子的靜止質量，me為電子的靜止質量，Wi為軌道電子結合能，с為光速。
軌道電子俘獲過程所形成的子核原子，由於缺少瞭一個內層電子，原子處於激發狀態，它可以通過不同方式退激。對於K俘獲，當L層電子跳到K層填充空位，可以發射標識X 射線，或稱特征X 射線。它的能量是 K層和L層電子的結合能之差hv=Wk-WL；當L層電子跳到K層空位時，也可以不發射標識X射線，而把能量交給另一個L層電子，使其克服結合能而飛出，這種電子稱為俄歇電子，它的動能Ee=hv-WL=Wk-2WL。軌道電子俘獲總伴隨有標識X射線或俄歇電子的產生。
β衰變的電子中微子理論 β衰變中放出的β粒子的能量是從
連續分佈的。為瞭解釋這一現象，1930年，
W.泡利提出瞭β衰變放出中性微粒的假說。1933年，
E.費密在此基礎上提出瞭β衰變的電子中微子理論。這個理論認為：中子和質子可以看作是同一種粒子（核子）的兩個不同的量子狀態，它們之間的相互轉變，相當於核子從一個量子態躍遷到另一個量子態，在躍遷過程中放出電子和中微子。β粒子是核子的不同狀態之間躍遷的產物，事先並不存在於核內。所以，引起β衰變的是電子-中微子場同原子核的相互作用，這種作用屬於
弱相互作用。這個理論成功地解釋瞭β譜的形狀，給出瞭β衰變的定量的描述。
β躍遷幾率 根據量子力學的微擾論，費密理論給出單位時間發射動量在p到p＋dp間β粒子的幾率為
， (1)
式中g是弱相互作用常數，Mif是躍遷矩陣元，ħ是普朗克常數h除以2π，F(Z，E)是庫侖改正因子，它描述核的庫侖場對發射β粒子的影響，是子核電荷數Z和β粒子能量E的函數。躍遷幾率的大小主要由躍遷矩陣元|Mif|的大小決定。
β躍遷分類 根據躍遷矩陣元的大小，可將β躍遷分為容許躍遷、一級禁戒躍遷、二級禁戒躍遷等。級次越高，躍遷幾率越小；相鄰兩級間，幾率可以相差幾個數量級。
費密理論給出β衰變對母核同子核間的自旋和宇稱變化的選擇定則:對於允許躍遷，自旋變化|ΔI|＝0，1，宇稱變化 Δπ＝＋1；對於一級禁戒躍遷，|ΔI|＝0，1，2，Δπ＝－1；對於二級以上的如 n 級禁戒躍遷，|ΔI|＝n，n＋1，Δπ＝(－1)n。
β衰變的居裡描繪 在β衰變的研究中，常將式(1)改寫為
， (2)
式中
。對容許躍遷，｜
M
if｜與β粒子的能量無關，
K為常數。此時若以
為縱坐標，
E為橫坐標作圖，則得一條直線。直線同橫軸的交點為β粒子的最大能量
E
m。這種圖稱為居裡描繪，也稱費密-居裡圖。這樣，居裡描繪可用來精確地測定
E
m。此外，也可用來分解復雜的β譜。對於禁戒躍遷，
M
if往往不是常數，則按式(2)作圖時不是一條直線。這時可引入一個同 β粒子能量有關的因子
S
n(
E)對居裡描繪進行改正，即把
K中同能量有關的因子分出來，
，使
K′為常數。此時式(2)可寫成
，
改正後的居裡描繪取
對
E作圖，仍是一條直線。
S
n(
E)由理論可以計算。因而，通過理論同實驗的比較，可決定
S
n(
E)，從而可以定出禁戒躍遷級次
n。
薩晉關系 通過對β粒子動量分佈式(1)的積分，假定躍遷矩陣元Mif同β粒子能量的關系可以忽略，便得到β衰變常數λ或半衰期T½。
，(3)
式中f(Z，Em)稱為費密積分函數。pm為電子的最大動量。當β粒子的最大能量遠大於它的靜止能量，並且可以忽略核的庫侖場對發射β粒子的影響時，
，從而可得關系
。這一關系稱為薩晉關系，它表示β衰變常數（或半衰期）隨β粒子的最大能量
E
m的變化而劇烈地變化。
由薩晉關系可見，僅僅以半衰期（或衰變常數）的大小不能反映β躍遷的級次。因此需要引入比較半衰期fT½
。
由於fT½值與|Mif|2成反比， 而|Mif|2的大小對不同級次的躍遷有很大差別，從而fT½值可用來比較躍遷的級次。這就是稱fT½為比較半衰期的由來。
實驗測得的各級躍遷的lgfT½值大致范圍如下：
躍遷級次 lgfT½
容 許 3～6
一級禁戒 6～10
二級禁戒 10～13
三級禁戒 15～18
β衰變中的宇稱不守恒 在β衰變的研究中的一個重要的突破是1956年李政道和楊振寧提出的弱相互作用中的宇稱不守恒，第二年吳健雄等人利用極化核 60Co的β衰變實驗首次證實瞭宇稱不守恒，這一發現不僅促進瞭β衰變本身的研究，也促進瞭粒子物理學的發展。
參考書目
盧希庭主編：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。
P. Marmier and E. Sheldon， Physics of Nuclei and particles， Academic Press， New York andLondon， 1969.
E. Segrè， Nuclei and particles，2nd ed.，W. A.Benjamin，Reading， Mass.， 1977.