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Grundwissen

Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei Beta-Minus-Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Elektronen.
  • Bei einem Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (und ein Elektron-Antineutrino) um.
  • Beta-Minus-Strahlung kann durch dünne Metallplatten gut abgeschirmt werden.

Beta-Minus-Zerfall

Abb. 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 (Elektron-Anti-)Neutrino umwandelt. Das Elektron verlässt mit einer Geschwindigkeit zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit den Kern. Es 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).

Bei der Umwandlung des Neutrons in ein Proton und ein Elektron entsteht zusätzlich ein sogenanntes Elektron-Antineutrino \({{{\rm{\bar \nu }}}_{\rm{e}}}\).  Das Neutrino hat eine sehr geringe Ruhemasse (weniger als 1,1 eV, Stand 2019) und keine elektrische Ladung und ist so sehr schwer nachzuweisen, weil Neutrinos mit Materie kaum in Wechselwirkung treten.

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

Änderung der Kennzahlen des zerfallenden Kerns

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.

  • Aus der Beobachtung der dünner Spuren folgt, dass Beta-Minus-Strahlung ein mittleres Ionisierungsvermögen besitzt. Betastrahlung ionisiert deutlich schwächer als Alphastrahlung, aber stärker als Gammastrahlung. Der \(q\)-Faktor von Beta-Minus-Strahlung ist 1.

  • Aus der Beobachtung unterschiedlich langer Spuren folgt, 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.

Maximalenergien von Beta-Minus-Teilchen

Die beim Beta-Minus-Zerfall entstehenden Beta-Minus-Teilchen können je nach Zerfallsprozess Energien in unterschiedlichen Größenordnungen haben. Tab. 1 zeigt die Maximalenergie der Beta-Minus-Teilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Tab. 1 Energie der Beta-Minus-Teilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen
Radionuklid Energie der Beta-Minus-Teilchen in \(\rm{MeV}\)
H-3 \(0{,}019\)
Co-60 \(0{,}32\)
Pb-210 \(0{,}064\)
Bi-214 \(3{,}27\)

Die mittlere Energie der Beta-Minus-Teilchen ist dabei ungefähr ein Drittel der Maximalenergie.

Reichweite und Abschirmung von Betastrahlung

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. Grundsätzlich ist ihre Reichweite jedoch gering, insbesondere im Vergleich zur Reichweite von Gammastrahlung. Beta-Minus-Strahlung kann bereits von 15 Blatt Papier oder \(4\,\rm{mm}\) Aluminium fast völlig abgeschirmt werden.

Tab. 2 zeigt die mittlere Reichweite von Beta-Minus-Teilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von deren Energie.

Tab. 2 Mittlere Reichweite von Beta-Minus-Teilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von ihrer Energie
Teilchenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Reichweite in
Luft Körpergewebe Aluminium
\(0{,}01\) \(0{,}003\,\rm{m}\) \(0{,}0025\,{\rm{mm}}\) \(0{,}009\,{\rm{mm}}\)
\(0{,}1\) \(0{,}10\,\rm{m}\) \(0{,}16\,{\rm{mm}}\) \(0{,}050\,{\rm{mm}}\)
\(0{,}5\) \(1{,}20\,\rm{m}\) \(1{,}87\,{\rm{mm}}\) \(0{,}60\,{\rm{mm}}\)
\(1{,}0\) \(3{,}06\,\rm{m}\) \(4{,}75\,{\rm{mm}}\) \(1{,}52\,{\rm{mm}}\)
\(2\) \(7{,}10\,\rm{m}\) \(11{,}1\,{\rm{mm}}\) \(4{,}08\,{\rm{mm}}\)
\(5\) \(19{,}0\,\rm{m}\) \(27{,}8\,{\rm{mm}}\) \(9{,}9\,{\rm{mm}}\)
\(10\) \(39{,}0\,\rm{m}\) \(60{,}8\,{\rm{mm}}\) \(19{,}2\,{\rm{mm}}\)
\(20\) \(78\,\rm{m}\) \(123\,{\rm{mm}}\) \(39{,}0\,{\rm{mm}}\)