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Betastrahlung
Einleitung
Betastrahlung oder \( \beta \)-Strahlung ist eine ionisierende Strahlung, die bei dem Betazerfall, einem radioaktiven Zerfall, auftritt.
Man unterscheidet bei der Betastrahlung zwischen zwei Strahlungsarten, der \( \beta^- \)-Strahlung, welche aus Elektronen besteht, und der selteneren \( \beta^+ \)-Strahlung, welche aus Positronen besteht.
Unterschied zu \( \alpha \)-Strahlen
Die emittierten Alphateilchen bei der Alphastrahlung haben eine bestimmte kinetische Energie, die vom Mutternuklid abhängt. Im Gegensatz dazu wird bei dem Betazerfall eines Nuklids Betastrahlung mit ganz unterschiedlicher Energie frei. Die Energie der Betastrahlung reicht dabei von Null bis zu einem für den zerfallenden Kern charakteristischen Maximalwert. Der Grund dafür ist, dass die Energie sich bei dem Betazerfall auf das Betateilchen und ein ebenfalls erzeugtes Neutrino aufteilt. Die Energieverteilung schwankt dabei, sodass die Betateilchen unterschiedliche Energien haben. Die typische maximale Energie von Betastrahlung liegt in der Größenordnung von 1 \( MeV \).
Entstehung
Beta-Zerfall von Atomkernen
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Nuklide mit einem Überschuss an Neutronen zerfallen über den \( \beta^- \)-Prozess. Dabei wird ein Neutron des Kerns in ein Proton umgewandelt und ein Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino ausgesendet. Sowohl Elektron als auch Antineutrino verlassen den Atomkern. Das umgewandelte Proton unterliegt jedoch der starken Wechselwirkung und bleibt im Kern.
Da sich nach dem Zerfallsprozess ein Neutron weniger, aber ein Proton mehr im Kern befindet, bleibt die Massenzahl \( \mathrm{A} \) unverändert, während sich die Kernladungszahl \( \mathrm{Z} \) um 1 erhöht. Das Element geht also in seinen Nachfolger im Periodensystem über.
Der Zerfall des Neutrons kann durch folgende Formel beschrieben werden:
$$ {}^{1}_{0} \mathrm {n} \to {}^{1}_{1} \mathrm {p} + \mathrm{e}^{-} + \overline{\nu}_e $$Allgemein gilt für den \( \beta^- \)-Zerfall:
$$ {}^\mathrm{A}_\mathrm{Z} \mathrm {X} \to {}^\mathrm{A}_{\mathrm{Z}+1} \mathrm {Y} + \mathrm{e}^{-} \mathrm + \overline{\nu}_e $$Bsp. Zerfall des \( \beta^- \)-Strahlers Au-198:
$$ {}^{198}_{\ 79} \mathrm {Au} \to {}^{198}_{\ 80} \mathrm {Hg} + \mathrm{e}^{-}+ \overline{\nu}_e $$Der \( \beta^+ \)-Zerfall tritt bei protonenreichen Nukliden auf. Dabei wird ein Proton des Kerns in ein Neutron umgewandelt und ein Positron sowie ein Elektron-Neutrino ausgesendet. Wie beim \( \beta^- \)-Zerfall bleibt die Massenzahl unverändert, jedoch verringert sich die Kernladungszahl um 1, das Element geht also in seinen Vorgänger im Periodensystem über.
Der Zerfall des Protons kann durch folgende Formel beschrieben werden:
$$ {}^{1}_{1} p \to {}^{1}_{0} \mathrm {n} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e $$Allgemein gilt für den \( \beta^+ \)-Zerfall:
$$ {}^\mathrm{A}_\mathrm{Z} \mathrm {X} \to {}^\mathrm{A}_{\mathrm{Z}-1} \mathrm {Y} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e $$Der Zerfall eines typischen \( \beta^+ \)-Strahler ist K-40:
$$ {}^{40}_{19} \mathrm {K} \to {}^{40}_{18} \mathrm {Ar} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e $$Elektroneneinfang
Der sogenannte Elektroneneinfang ist ein Konkurrenzprozess zum \( \beta^+ \)-Zerfall. Hierbei verwandelt sich ein Proton des Kerns durch Einfangen eines Elektrons aus einer kernnahen Schale der Atomhülle in ein Neutron und ein Neutrino.
Zerfall des freien Neutrons
Nicht nur Neutronen, die sich in Atomkernen befinden, sondern auch freie Neutronen können zerfallen. Dabei wandelt es sich in ein Proton, ein Antineutrino und ein Elektron um, das als Betastrahlung nachgewiesen werden kann.
Die Formel für diesen Zerfall lautet:
$$ \hbox{n}\to\hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_{\mathrm{e}} $$Da freie Neutronen im Allgemeinen eine relativ lange Lebensdauer von ungefähr 885,7 Sekunden haben, tritt dies allerdings nicht sehr oft auf. Meist werden frei werdene Neutronen viel schneller durch andere Atomkerne eingefangen.
Eigenschaften
Wenn Betateilchen in ein Material eindringen, finden der Energieübertrag auf das Material und die Ionisierung in einer oberflächennahen Schicht statt, die der Eindringtiefe der Teilchen entspricht.
Wechselwirkung mit Materie
Betastrahlung durchdringt Papier im Gegensatz zu Alphastrahlung ohne Probleme. Man benötigt daher zum Schutz mindestens ein dünnes Aluminiumblech.
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Wirkung auf den Menschen
Außerhalb des Körpers
Betastrahlung dringt in die Hautschichten des Menschen ein und schädigt diese. Dabei kann es zu intensiven Verbrennungen und daraus resultierenden Spätfolgen wie Hautkrebs kommen. Außerdem schädigt die Strahlung die Augen, es kann zur Linsentrübung kommen.
Innerhalb des Körpers
Gelangen Betastrahler z.B. durch Aufnahme mit der Nahrung oder durch Einatmen in den Körper, so werden lebende Zellen im Umkreis des Strahlers geschädigt. Gut dokumentiert ist Schilddrüsenkrebs, welcher durch in der Schilddrüse angesammeltes radioaktives Iod-131 entsteht.
Schutz vor \( \beta \)-Strahlen
Um sich vor Betastrahlen zu schützen, kann man einige Millimeter dicke Absorber (beispielsweise Aluminiumblech) benutzen. Diese schirmen die Strahlung relativ gut ab, es wird jedoch ein Teil der Energie der Betateilchen in Röntgen-Bremsstrahlung umgewandelt. Daher sollte man Abschirmmaterial mit möglichst leichten Atomen, also geringer Ordnungszahl verwenden, um die Betastrahlung abzuschirmen. Dahinter kann dann ein Schwermetall als zweiter Absorber dienen, der die Bremsstrahlung abschirmt.
Materialabhängige maximale Reichweite für \( \beta \)-Teilchen:
| Nuklid | Energie | Luft | Plexiglas | Glas |
|---|---|---|---|---|
| \( {}^{3}_{ } H \) | 19 \( keV \) | 8 \( cm \) | - | - |
| \( {}^{14}_{ } C \) | 156 \( keV \) | 65 \( cm \) | - | - |
| \( {}^{35}_{ } S \) | 167 \( keV \) | 70 \( cm \) | - | - |
| \( {}^{131}_{ } I \) | 600 \( keV \) | 250 \( cm \) | 2,6 \( mm \) | - |
| \( {}^{32}_{ } P \) | 1710 \( keV \) | 710 \( cm \) | 7,1 \( mm \) | 4,0 \( mm \) |
Quellen
- Wikipedia: Artikel über "Betastrahlung"
Literatur
- Dorn/Bader Physik - Sekundarstufe II, S. 310 ff.
- English version: Article about "Beta Particles"