Betastrahlung

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β-Strahlung (Protonen rot, Neutronen blau)

Betastrahlung oder β-Strahlung ist eine ionisierende Strahlung, die bei einem radioaktiven Zerfall, dem Betazerfall, auftritt. Ein radioaktives Nuklid, das Betastrahlung aussendet, wird als Betastrahler bezeichnet.

Diese Teilchenstrahlung besteht bei der häufigeren β-Strahlung aus Elektronen, bei der selteneren β+-Strahlung dagegen aus Positronen.

Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen.

Die emittierten Teilchen haben im Gegensatz zur Alphastrahlung nicht eine bestimmte (diskrete) kinetische Energie, sondern ihre Energien sind von Null bis zu einem für den zerfallenden Kern charakteristischen Maximalwert kontinuierlich verteilt. Grund hierfür ist die Aufteilung der freiwerdenden Zerfallsenergie auf drei Teilchen: das Betateilchen, ein ebenfalls erzeugtes Neutrino und den Tochterkern. Die typische maximale Energie von Betastrahlung liegt in der Größenordnung von 1 MeV.

Entstehung[Bearbeiten]

Beta-Zerfall von Atomkernen[Bearbeiten]

Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In der Folge des Zerfallsvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen – Elektron oder Positron – den Kern. Gleichzeitig entsteht ein Antineutrino bzw. Neutrino. In der Anfangszeit der Kernphysik führte die Beobachtung von Beta-Elektronen vorübergehend zu dem Fehlschluss, Elektronen seien Bestandteile des Atomkerns.[1] Jedoch werden die beiden emittierten Teilchen erst zum Zeitpunkt der Kernumwandlung erzeugt. Ein W-Boson vermittelt die schwache Wechselwirkung und bewirkt die Umwandlung eines im Neutron (bzw. Proton) vorhandenen d-Quarks (bzw. u-Quarks) in ein u-Quark (d-Quark), und damit die Umwandlung des Neutrons in ein Proton (Protons in ein Neutron). Während das umgewandelte Quark als Bestandteil des umgewandelten Nukleons seine Rolle beibehält, verlassen das Antineutrino (Neutrino) und das Elektron (Positron) den Kern.

Der Betazerfall wird nach der Art der emittierten Teilchen unterschieden. Wenn ein Elektron abgestrahlt wird, dann handelt es sich um Beta-Minus-Zerfall), bei einem abgestrahlten Positron um Beta-Plus-Zerfall+).

Dass Beta-Minus-Strahlen tatsächlich die gleiche Teilchenart sind wie die Elektronen der Atomhülle, zeigt sich in ihrer Wechselwirkung mit Materie.[2] Das Pauli-Prinzip verhindert, dass die Betateilchen in die bereits mit Elektronen besetzten Zustände des Atoms eingefangen werden, während dies beispielsweise für Myonen möglich ist und beobachtet wird.

Beta-Minus-Zerfall (β)[Bearbeiten]

Nuklide mit einem Überschuss an Neutronen zerfallen über den β-Prozess. Ein Neutron des Kerns wandelt sich in ein Proton um und sendet dabei ein Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino aus. Sowohl Elektron als auch Antineutrino verlassen den Atomkern, da beide Leptonen sind und nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Da sich nach dem Zerfallsprozess ein Neutron weniger, aber ein Proton mehr im Kern befindet, bleibt die Massenzahl A unverändert, während sich die Kernladungszahl Z um 1 erhöht. Das Element geht also in seinen Nachfolger im Periodensystem über.

Schreibt man wie üblich Massenzahlen A oben und Kernladungszahlen Z unten an die Symbole, kann demnach der Zerfall des Neutrons durch folgende Formel beschrieben werden:

{}^{1}_{0} \mathrm {n} \to {}^{1}_{1} \mathrm {p} + \mathrm{e}^{-} + \overline{\nu}_e

Bezeichnet X das Mutter- und Y das Tochternuklid, so gilt für den β-Zerfall allgemein:

{}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A}_{Z+1} \mathrm {Y} + \mathrm{e}^{-} \mathrm + \overline{\nu}_e

Ein typischer β-Strahler ist 198Au. Hier lautet die Umwandlung in Formelschreibweise:

{}^{198}_{\ 79} \mathrm {Au} \to {}^{198}_{\ 80} \mathrm {Hg} + \mathrm{e}^{-}+ \overline{\nu}_e

Beta-Plus-Zerfall (β+)[Bearbeiten]

Der β+-Zerfall tritt bei protonenreichen Nukliden auf. Hierbei wird ein Proton des Kerns in ein Neutron umgewandelt. Dabei entsteht zusammen mit einem Positron (Positronenstrahlung) ein Elektron-Neutrino. Wie beim β-Zerfall bleibt die Massenzahl unverändert, jedoch verringert sich die Kernladungszahl um 1, das Element geht also in seinen Vorgänger im Periodensystem über.

Die Umwandlung des Protons in ein Neutron geschieht durch:

{}^{1}_{1} \mathrm {p} \to {}^{1}_{0} \mathrm {n} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e

Mit den gleichen Bezeichnungen wie oben lässt sich der allgemeine β+-Zerfall beschreiben durch:

{}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A}_{Z-1} \mathrm {Y} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e

Das am häufigsten vorkommende primordiale Nuklid, bei dem (unter anderem) β+-Zerfall auftritt, ist Kalium-40 (40K). Hier lautet die Formel:

{}^{40}_{19} \mathrm {K} \to {}^{40}_{18} \mathrm {Ar} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e

Ein Konkurrenzprozess zum β+-Zerfall ist der sogenannte Elektroneneinfang. Hierbei verwandelt sich ein Proton des Kerns durch Einfangen eines Elektrons aus einer kernnahen Schale der Atomhülle in ein Neutron und ein Neutrino. Dieser Prozess tritt stets neben der Positronenemission auf, als alleiniger Zerfallskanal dann, wenn die Umwandlungsenergie kleiner als die Ruheenergie eines Positrons ist. Auch der Elektroneneinfang beweist, dass Hüllenelektronen und Beta-Elektronen dieselbe Teilchenart sind.

Zerfall des freien Neutrons[Bearbeiten]

Auch ein freies Neutron unterliegt dem Betazerfall. Dabei wandelt es sich in ein Proton, ein Antineutrino und ein Elektron um, das als Betastrahlung nachgewiesen werden kann. Die Formel des Zerfalls lautet daher:

\hbox{n}\to\hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_{\mathrm{e}}

Die Lebensdauer für diesen Zerfall beträgt 880,1 ± 1,1 Sekunden[3], also knapp 15 Minuten. Dies entspricht einer Halbwertszeit von rund 10 Minuten. In normaler Umgebung auf der Erde (z. B. in Luft) wird praktisch jedes frei werdende Neutron in viel kürzerer Zeit durch einen Atomkern eingefangen; deshalb spielt dieser Zerfall hier keine merkliche Rolle.

Energiespektrum[Bearbeiten]

Die Energieverteilung der Betastrahlung (Betaspektrum) ist kein Linienspektrum, sondern kontinuierlich, weil sich die beim Zerfall frei werdende Energie auf insgesamt drei Teilchen, Atomkern, Elektron/Positron und Antineutrino/Neutrino, verteilt (siehe Kinematik (Teilchenprozesse)).

Betaspektrum schematisch: Zahl der Elektronen pro Zeiteinheit und pro Energieeinheit als Funktion ihrer kinetischen Energie

Die Abbildung zeigt schematisch ein einfaches Elektronenspektrum. Komplexere Spektren treten auf, wenn Betaübergänge zu verschiedenen Energieniveaus des Tochterkerns sich überlagern.

Beispiele für Beta-Höchstenergien:

  • 3H 0,0186 MeV (\beta)
  • Neutron 0,78 MeV (\beta)
  • 11C 0,96 MeV (\beta+)
  • 37K 5,1 MeV (\beta+)
  • 20F 5,4 MeV (\beta)

Alleine oder auch zusätzlich zu einem Betaspektrum kann ein durch Innere Konversion erzeugtes Elektronen-Linienspektrum auftreten. Dieses wurde früher[4] als Diskretes Betaspektrum bezeichnet, obwohl es mit dem eigentlichen Betazerfall nichts zu tun hat. Bei vorangegangenem Beta-Minus-Zerfall erscheint dann das kontinuierliche Elektronenspektrum mit zusätzlichen, darauf sitzenden Linien (Peaks).

Neutrinomasse[Bearbeiten]

Die Form des Spektrums in der Nähe der maximalen Elektronen- oder Positronenenergie gibt Auskunft über die noch unbekannte Masse des Neutrinos/Antineutrinos. Dazu wird das hochenergetische Ende des Betaspektrums genau vermessen (z. B. im Experiment KATRIN). Ein abrupter im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Abfall bei der Höchstenergie beweist eine von Null verschiedene Neutrinomasse und erlaubt, deren Wert zu bestimmen.

Polarisation[Bearbeiten]

Betastrahlung ist in ihrer Emissionsrichtung longitudinal spinpolarisiert. Dies ist eine grundlagenphysikalisch interessante Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung, da sie die Nichterhaltung der Parität beweist. Für Wirkungen und Anwendungen der Strahlung spielt sie jedoch praktisch keine Rolle.

Wechselwirkung mit Materie[Bearbeiten]

Wenn Betateilchen in ein Material eindringen, finden Energieübertrag auf das Material und Ionisierung in einer oberflächennahen Schicht statt, die der Eindringtiefe der Teilchen entspricht.

Ist das eindringende Teilchen ein Positron (β+-Teilchen), trifft es sehr bald auf ein Elektron, also sein Antiteilchen. Dabei kommt es zur Annihilation, aus der (meist) zwei Photonen im Gammabereich hervorgehen.[5]

Biologische Wirkung[Bearbeiten]

Ist der menschliche Körper Betastrahlen ausgesetzt, werden nur Hautschichten geschädigt. Dort kann es aber zu intensiven Verbrennungen und daraus resultierenden Spätfolgen wie Hautkrebs kommen. Sind die Augen der Strahlung ausgesetzt, kann es zur Linsentrübung kommen.

Werden Betastrahler in den Körper aufgenommen (inkorporiert), können hohe Strahlenbelastungen in der Umgebung des Strahlers die Folge sein. Gut dokumentiert ist Schilddrüsenkrebs als Folge von radioaktivem Iod-131 (131I), das sich in der Schilddrüse sammelt. In der Literatur findet man auch Befürchtungen, dass Strontium-90 (90Sr) zu Knochenkrebs und Leukämie führen kann, da sich Strontium wie Calcium in den Knochen anreichert.

Strahlenschutz[Bearbeiten]

Materialabhängige maximale Reichweite für β-Teilchen
Nuklid Energie Luft Plexiglas Glas
3H 19 keV 8 cm
14C 156 keV 65 cm
35S 167 keV 70 cm
131I 600 keV 250 cm 2,6 mm
32P 1,710 MeV 710 cm 7,2 mm 4 mm

Betastrahlen lassen sich mit einem einige Millimeter dicken Absorber (beispielsweise Aluminiumblech) gut abschirmen. Allerdings wird dabei ein Teil der Energie der Betateilchen in Röntgen-Bremsstrahlung umgewandelt. Um diesen Prozess zu verringern, sollte das Abschirmmaterial möglichst leichte Atome aufweisen, also von geringer Ordnungszahl sein. Dahinter kann dann ein Schwermetall als zweiter Absorber dienen, der die Bremsstrahlung abschirmt.

Bei β+-Zerfall ist zu beachten, dass sich die β+-Teilchen mit Elektronen annihilieren (siehe oben), wobei Photonen frei werden. Diese haben Energien von etwa 511 keV (entsprechend der Masse des Elektrons) und liegen damit im Bereich der Gamma-Strahlung[5]. Für β-Strahler lässt sich eine materialabhängige maximale Reichweite definieren, denn β-Teilchen geben ihre Energie (so wie Alphateilchen) in vielen Einzelstößen an Atomelektronen ab; die Strahlung wird also nicht exponentiell abgeschwächt wie Gammastrahlung. Aus dieser Erkenntnis resultiert die Auswahl abschirmender Materialien. Für einige der in der Forschung verbreiteten β-Strahler sind in der nebenstehenden Tabelle die Reichweiten in Luft, Plexiglas und Glas berechnet. Mit einer Plexiglasabschirmung von 1 cm kann bei den angegebenen Energien eine sichere Abschirmung erreicht werden. Für Betastrahler mit höheren Energiewerten muss eine entsprechend dickere Abschirmung verwendet werden.

Anwendungen[Bearbeiten]

In der Strahlentherapie werden Betastrahler (z. B. 90Sr, 106Ru) in der Brachytherapie genutzt.

Die β+-Strahler 18F, 11C, 13N und 15O werden bei der Positronen-Emissions-Tomographie als Tracer benutzt. Ausgewertet wird dabei die durch Paarvernichtung entstehende Strahlung.

Neben Röntgen- und Gammastrahlung werden auch Betastrahlen für die Strahlensterilisation benutzt.

Forschungsgeschichte[Bearbeiten]

Ernest Rutherford und Frederick Soddy entwickelten 1903 eine Hypothese, nach der die bereits 1896 von Antoine Henri Becquerel entdeckte Radioaktivität mit der Umwandlung von Elementen verknüpft ist. Der Betazerfall wurde demnach als Quelle der Betastrahlung ausgemacht. Davon ausgehend formulierten 1913 Kasimir Fajans und Soddy die sogenannten radioaktiven Verschiebungssätze, mit denen die natürlichen Zerfallsreihen durch aufeinanderfolgende Alpha- und Betazerfälle erklärt werden.

1911 zeigten Lise Meitner und Otto Hahn, dass die Energien der emittierten Elektronen über ein kontinuierliches Spektrum verteilt sind. Da die beim Zerfall freiwerdende Energie aber konstant ist, hatte man ein diskretes Spektrum erwartet, wie es auch beim Alphazerfall beobachtet wird. Um diese scheinbare Nichterhaltung der Energie (und eine ebenfalls auftretende Verletzung von Impuls- und Drehimpulserhaltung) zu erklären, schlug Wolfgang Pauli 1930 in einem Brief die Beteiligung eines neutralen, extrem leichten Elementarteilchens am Zerfallsprozess vor, welches er „Neutron“ taufte. Enrico Fermi änderte diese Bezeichnung 1931 in Neutrino, als Verkleinerungsform des nahezu zeitgleich entdeckten wesentlich schwereren Neutrons. Die Identität der Beta-Teilchen mit atomaren Elektronen wurde 1948 von Maurice Goldhaber und Gertrude Scharff-Goldhaber nachgewiesen.[2] Der erste experimentelle Nachweis des Neutrinos gelang erst 1956 durch Clyde L. Cowan und Frederick Reines an einem der ersten großen Kernreaktoren.

Der β+-Zerfall wurde 1934 von Irène und Frédéric Joliot-Curie entdeckt.

Im Jahre 1956 gelang es mit einem von Chien-Shiung Wu durchgeführten Experiment, die kurz zuvor von Tsung-Dao Lee und Chen Ning Yang postulierte Paritätsverletzung des Betazerfalls nachzuweisen.

Künstliche Elektronenstrahlen[Bearbeiten]

Gelegentlich werden freie Elektronen, die künstlich (z. B. von einer Glühkathode) erzeugt und in einem Teilchenbeschleuniger auf hohe Energie gebracht wurden, ungenau ebenfalls als Betastrahlung bezeichnet. Auch der Name des Elektronenbeschleuniger-Typs Betatron weist darauf hin.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Werner Stolz: Radioaktivität. Grundlagen – Messung – Anwendungen. 5. Aufl. Teubner, 2005, ISBN 3-519-53022-8.

Kernphysik

  • Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik. 6. Aufl. Teubner, 1994, ISBN 3-519-03223-6.
  • Klaus Bethge: Kernphysik. Springer, 1996, ISBN 3-540-61236-X.
  • Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro: Fundamentals in Nuclear Physics. From Nuclear Structure to Cosmology. Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4.

Forschungsgeschichte

  • Milorad Mlađenović: The History of Early Nuclear Physics (1896–1931). World Scientific, 1992, ISBN 981-02-0807-3.

Strahlenschutz

  • Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. Vieweg+Teubner, 2007, ISBN 978-3835101999.
  • Claus Grupen: Grundkurs Strahlenschutz. Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen. Springer, 2003, ISBN 3-540-00827-6.
  • James E. Martin: Physics for Radiation Protection. Wiley, 2006, ISBN 0-471-35373-6.

Medizin

  • Günter Goretzki: Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen. Urban&Fischer, 2004, ISBN 3-437-47200-3.
  • Thomas Herrmann, Michael Baumann und Wolfgang Dörr: Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig. Urban&Fischer, 2006, ISBN 3-437-23960-0.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. siehe z. B. Max Planck: Das Weltbild der neuen Physik. Leipzig: Barth, 1929, S. 17/18
  2. a b  Maurice Goldhaber, Gertrude Scharff-Goldhaber: Identification of beta-rays with atomic electrons. In: Physical Review. Volume 73, Nr. 12, 1948, S. 1472–1473, doi:10.1103/PhysRev.73.1472.
  3. J. Beringer et al. (Particle Data Group), Physical Review D 86, 010001 (2012). (PDF; 92 kB)
  4. z. B. Ch. Gerthsen: Physik. 6. Auflage, Springer 1960, S. 329
  5. a b Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes 2. Auflage. S. 109
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Dieser Artikel wurde am 15. Juni 2007 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.