Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung

  • Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
  • Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
  • Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
  • Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?

Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung

Beta-Minus-Zerfall

1 Beta-Minus-Zerfall (eigentlich Beta-Minus-Umwandlung) eines \({}_{82}^{214}{\rm{Pb}}\)-Kerns in einen \({}_{83}^{214}{\rm{Bi}}\)-Kern unter Aussendung eines Elektrons und eines Elektron-Anti-Neutrinos

Der Beta-Minus-Zerfall (kurz: \({\rm{\beta^- }}\)-Zerfall) tritt bei instabilen Nukliden mit hoher Neutronenzahl und verhältnismäßig geringer Protonenzahl auf. Beim Beta-Minus-Zerfall erreicht der Kern eine stabilere Kernkonfiguration, indem sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti-Elektron-)Neutrino umwandelt und dieses Elektron mit einer Geschwindigkeit zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit aussendet. Das aus dem Kern geschleuderte Elektron stammt also nicht aus der Atomhülle, sondern entsteht neu im Kern. Die ausgesandten Elektronen werden Beta-Minus-Teilchen (kurz: \({{\rm{\beta }}^ - }\)) genannt, als Teilchenstrom bilden sie dann die Beta-Minus-Strahlung (kurz: \({{\rm{\beta }}^ - }\)-Strahlung).

Beim Beta-Minus-Zerfall wird außerdem ein weiteres Teilchen ausgesandt, das keine Ruhemasse und keine elektrische Ladung besitzt. Bei der Umwandlung des Neutrons in ein Proton und ein Elektron entsteht zusätzlich ein sogenanntes Anti-Elektron-Neutrino \({{{\rm{\bar \nu }}}_{\rm{e}}}\). Alle Neutrinos besitzen ein großes Durchdringungsvermögen, weil sie mit Materie kaum in Wechselwirkung treten, und sind deshalb schwer nachzuweisen.

Nach dem Ausstoß des Beta-Minus-Teilchens und des Anti-Elektron-Neutrinos verbleibt der Atomkern unter Umständen in einem angeregten Zustand. Der Übergang in den Grundzustand ist mit dem Aussenden von Gammastrahlung (Gammaübergang) verbunden.

Beim Beta-Minus-Zerfall nimmt die Kernladungszahl um eine Einheit zu, während die Massenzahl unverändert bleibt; die Reaktionsgleichung lautet demnach\[{}_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}}\mathop  \to \limits^{{{\rm{\beta }}^ - }} {}_{{\rm{Z + 1}}}^{\rm{A}}{\rm{Y}} + {}_{{\rm{ - 1}}}^{\rm{0}}{\rm{e}} + {}_{\rm{0}}^{\rm{0}}{{\rm{\bar \nu }}_{\rm{e}}}\]

Beta-Minus-Strahlen bilden einen Elektronenstrom, der die gleichen Eigenschaften zeigt wie der elektrische Strom in metallischen Leitern.

Beispiel: Das in der Natur vorkommende Isotop Blei-214 wandelt sich unter Aussendung eines Beta-Minus-Teilchens (Elektron) und eines Anti-Elektron-Neutrinos in das Isotop Wismut-214 um: \({}_{{\rm{82}}}^{{\rm{214}}}{\rm{Pb}}\mathop  \to \limits^{{{\rm{\beta }}^ - }} {}_{{\rm{83}}}^{{\rm{214}}}{\rm{Bi}} + {}_{ - 1}^0{\rm{e}} + {}_{\rm{0}}^{\rm{0}}{{\rm{\bar \nu }}_{\rm{e}}}\); die dabei frei werdende Energie beträgt \(1,019{\rm{MeV}}\).

Beta-Minus-Strahlung

Beobachtet man Beta-Minus-Strahlung in einer Nebelkammer, so kann man dünne, unterschiedlich lange Spuren beobachten. Diese Spuren sind durch Magnetfelder stark ablenkbar, die Ablenkung geschieht in die gleiche Richtung wie bei negativen Ladungsträgern.

  • Die Tatsache, dass die Spuren dünn sind, deutet auf ein niedriges Ionisierungsvermögen von Beta-minus-Strahlung hin. Der \(q\)-Faktor von Beta-Minus-Strahlung ist 1.

  • Die Tatsache, dass die Spuren unterschiedlich lang sind, deutet darauf hin, dass die bei einem speziellen Zerfallsprozess entstehenden Beta-Minus-Teilchen unterschiedlich große Energien haben können.

  • Die Tatsache, dass die Spuren durch Magnetfelder wie negativ geladene Teilchen stark ablenkbar sind, deuten darauf hin, dass die Beta-Minus-Teilchen negativ geladen sind und eine relativ kleine Masse besitzen.

Radionuklid Maximalenergie der Beta-Minus-Teilchen
in \(\rm{MeV}\)
H-3 \(0,018\)
Co-60 \(0,3\) ; \(1,5\)
Pb-210 \(0,02\) ; \(0,06\)
Bi-214 \(1,5\) ; \(3,3\) ; ...

Die beim Beta-Minus-Zerfall entstehenden Beta-Minus-Teilchen können je nach Zerfallsprozess Energien in unterschiedlichen Größenordnungen haben. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die Maximalenergie der Beta-Minus-Teilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen. Die mittlere Energie ist dabei ungefähr ein Drittel der Maximalenergie.

Teilchenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Reichweite in
Luft Körpergewebe Aluminium
\(0,01\) \(0,003\rm{m}\) \(0,0025{\rm{mm}}\) \(0,009{\rm{mm}}\)
\(0,1\) \(0,10\rm{m}\) \(0,16{\rm{mm}}\) \(0,050{\rm{mm}}\)
\(0,5\) \(1,20\rm{m}\) \(1,87{\rm{mm}}\) \(0,60{\rm{mm}}\)
\(1,0\) \(3,06\rm{m}\) \(4,75{\rm{mm}}\) \(1,52{\rm{mm}}\)
\(2\) \(7,10\rm{m}\) \(11,1{\rm{mm}}\) \(4,08{\rm{mm}}\)
\(5\) \(19,0\rm{m}\) \(27,8{\rm{mm}}\) \(9,9{\rm{mm}}\)
\(10\) \(39,0\rm{m}\) \(60,8{\rm{mm}}\) \(19,2{\rm{mm}}\)
\(20\) \(78\rm{m}\) \(123{\rm{mm}}\) \(39,0{\rm{mm}}\)

Die Reichweite von Beta-Minus-Strahlung hängt sowohl von der Energie der Beta-Minus-Teilchen als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die mittlere Reichweite von Beta-Minus-Teilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von deren Energie.

Beta-Minus-Strahlung kann bereits von 15 Blatt Papier oder \(4\rm{mm}\) Aluminium fast völlig abgeschirmt werden.

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