Betaverfall

Betastrahlen (Protonen root, Neutronen blau)

De Betaverfall (ok β-Verfall) is en Oort vun de Radioaktivität. Dorbi entsteiht Betastrahlen (ok β-Strahlen), de to de Ioniseeren Strahlen tellt. En radioaktiv Nuklid, dat β-Strahlen utsennt, warrt as Betastrahler betekent.

Disse Deelkenstrahlen besteiht bi de fakeneren β⁻-Strahlen ut Elektronen. Rorer is de β⁺-Strahlen, de in’n Gegensatz dorto ut Positronen besteiht. De Naam kummt vun de Indelen vun Ioniseeren Strahlen in Alpha-, Beta- un Gammastrahlen na jemehr anstiegen Vermögen, dör Materie dörtogahn.

De utstrahlten Deelken hebbt in’n Gegensatz to de Alphastrahlen keen sünnere (diskrete) kineetsche Energie, man jemehr Energien sünd twüschen Null un en Hööchstweert verdeelt, de för jeden Karn, de verfallt, tyypisch is. De Grund dorför is de Opdellen vun de freesette Verfallsenergie op dat Betadeelken un en Neutrino, dat bi den Verfall ok tüügt warrt. De tyypsche Hööchstenergie vun Betastrahlen liggt in de Grött vun een MeV.

Tostannenkamen

Betaverfall vun Atomkarns

Feynmandiagramm för den Verfall vun’n Neutron n in en Proton p, en Elektron e⁻ un’n Elektron-Antineutrino ${\overline {\nu }}_{e}$ vermiddelt över en W-Boson W⁻.

De Betaverfall is en radioaktiven Verfallstyyp vun en Atomkarn. Bi dissen Vörgang warrt en Betadeelken mit veel Energie – en Elektron oder en Positron – ut’n Karn utsennt. To glieken Tiet entsteiht ok en Antineutrino oder en Neutrino. In de Anfangstiet vun de Karnphysik hett de Beobachten vun Beta-Elektronen to den verkehrten Sluss föhrt, dat Elektronen Bestanddelen vun’n Atomkarn sünd. Man, in Wohrheit warrt de beiden afstrahlten Deelken aver eerst to de Tiet vun’t Ümwanneln tüügt. En W-Boson vermiddelt de swacke Wesselwirken un löst de Ümwanneln vun en d-Quark (oder u-Quark) in en u-Quark (oder d-Quark) binnen en Neutron (oder en Proton) ut. Bi disse Ümwanneln warrt ut dat Neutron en Proton (oder anners rüm). Wiel dat ümwannelte Quark as Bestanddeel vun’t ümwannelte Nukleon sien Rull bibehollt, warrt dat Antineutrino (oder Neutrino) un dat Elektron (oder Positron) ut’n Karn utstött.

De Betaverfall warrt also na de Oort vun’t Betadeelken ünnerscheedt, dat dorbi utstrahlt warrt. Sünd dat Elektronen, is dat en Beta-Minus-Verfall (β⁻) un bi Positronen en Beta-Plus-Verfall (β⁺).

Nukliden, de’n Överschuss an Neutronen bargt, verfallt över den β⁻-Vörgang, bi den en Neutron in’n Karn in en Proton wannelt warrt. Dat Elektron un ok dat Antineutrino neiht ut’n Karn ut, vun wegen dat se as Leptonen nich vun de starken Wesselwirken bedrapen sünd. As dat in’n Karn na den Verfall en Neutron weniger, dorför aver en Proton mehr gifft, blifft de Massentall $A$ vun’t Nuklid gliek. De Ladung dorgegen nimmt in’n Karn üm een to un dormit ok de Atomtall. Dat heet, dat Element geiht över in den högeren Naver in’t Periodensystem.

In de begängigen Schrievwies steiht de Massentall $A$ baven un de Atomtall $Z$ ünnen links blangen dat Atomteken. Dormit kann man den Betaverfall dör de nafolgen Formel beschrieven:

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

.

Wenn X dat Mudder- un Y dat Dochternuklid betekent, denn gellt för den β⁻-Verfall allgemeen:

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

.

En tyypschen β⁻-Strahler is to’n Bispeel ¹⁹⁸Au. De Ümwanneln sütt as Formel in den Fall so ut:

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

.

De β⁺-Verfall kummt bi Nukliden vör, de veel Protonen bargt. Dorbi warrt en Proton vun’n Karn in en Neutron ümwannelt, wo bi en Positron un en Elektron-Neutrino afstrahlt warrt. As bi’n β⁻-Verfall blifft ok hier de Massentall gliek, man de Atomtall warrt üm een lütter. Dat heet, dat dat Element sik in den deeperen Naver in’t Periodensystem wannelt.

As Formel geiht de Ümwanneln as folgt vör sik:

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

.

Allgemeen kann de β⁺-Verfall mit de glieken Beteken as baven beschreven warrn as:

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

.

Dat an’n fakensten vörkamen primordiale Nuklid, bi dat (ünner annern) en β⁺-Verfall vörkummt, is Kalium-40 (⁴⁰K). För dit Bispeel heet de formel:

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

.

En annern Vörgang, de mit den β⁺-Verfall in Kunkurrenz steiht is de so nöömte Elektroneninfang, de ok ε schreven warrt. Bi den Vörgang wannelt sik en Proton in’n Karn dör dat Infangen vun en Elektron ut de binneren Atomhüll. Ok dorbi warrt dorut en Neutron un en Neutrino warrt afstrahlt. Vörkamen deit dat vör allen denn, wenn de Ümwannelenergie, de free warrt, lütt is.

Verfall vun’n free Neutron

Ok en free Neutron kann en Betaverfall hebben. Dorbi wannelt sik dat in en Proton, en Antineutrino un en Elektron üm, dat as Betastrahlen anwiest warrn kann. De Formel för den Verfall is dorüm:

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

.

De Verfallswohrschienlichkeit is teemlich lütt: en free Neutron hett en Levensduer vun ruchweg 885,7 Sekunnen, Disse Verfall speelt op de Eer in de Natur keen bedüdene Rull, vun wegen dat fre’e Neutronen veel gauer dör en Atomkarn infungen warrt.

Wesselwirken mit Materie

Wenn Betadeelken in en Material ringaht, warrt Energie op dat Material överdragen un en Ionisatschoon finnt in de Neeg de Bavenflach statt, wat dör de Indringdeep beschreven warrt.

Bioloogsch Wirken

Wenn de minschliche Lief vun Betastrahlen drapen warrt, warrt blots Huutschichten angrepen. Man in de Huut kann dat dordör to bannige Verbrennen kamen, wat laterhen to Huutkrebs föhren kann. Wenn de Ogen vun de Strahlen drapen warrt, künnt de Linsen drööv warrn.

Groten Schaden kann enstahn, wenn Betastrahlers in den Lief opnahmen (inkorporeert) warrt. Dat hett in de Neeg vun den Strahler hoge Strahlenbelasten as Naklapp. Akkerate Berichten gifft dat vun Schilddrüsenkrebs as Naklapp vun radioaktiven Jod-131 (¹³¹I), dat sik in de Schilddrüüs ansammelt. In de Literatur sünd ok Vermoden doröver to finnen, dat Strontium-90 (⁹⁰Sr) to Knakenkrebs un Leukämie föhren kann, vun wegen dat sik Strontium jüst so as Calcium in de Knaken anriekert.

Strahlenschuul

Betastrahlen latt sik mit en Absorber vun eenige Millimeter Dick (to’n Bispeel Aluminiumblick) goot afschirmen. En Deel vun de Energie warrt dorbi aver in Röntgen-Bremsstrahlen ümwannelt. Üm disse Vörgang mööglichst lütt to hollen, schüll dat Afschirmmaterial mööglichst lichte Atomen opwiesen, d. h. de Atomtall schüll mööglichst lütt wesen. Dorachter kann en Swoormetall as tweeten Absorberbruukt warrn, de de Bremsstrahlen afschirmt.

Materialafhangige *Hööchstreckwiet* för β-Deelken
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

För Betastrahlers kann een gröttste Reckwieden defineeren, de vun’t Material afhangig sünd. β-Deelken geevt neemlich jemehr Energie jüst so as Alphadeelken in vele enkelte Stöten an Atomelektronen af. De Strahlen warrt also nich exponentiell swäcker as Gammastrahlen. Ut dit Weten kann de Utwahl vun Materialen to’n Afschirmen bestimmt warrn. För eenige β-Strahlers, de in de Forschung begäng sünd, staht in de Tabell de Reckwieden in Luft, Plexiglas un Glas. Mit en Plexiglasafschirmen vun een Zentimeter kann Betastrahlen seker afschirmt warrn.

Bruuk

Betastrahler warrt in de Strahlentherapie bruukt, as to’n Bispeel (z.B. Sr-90, Ru-106) in de Bachytherapie.

De β⁺-Strahlers ¹⁸F, ¹¹C, ¹³N un ¹⁵O warrt as Tracer bi de Positronen-Emisschoons-Tomografie insett. Utweert warrt dorbi de Strahlen, de dör Poorvernichten tüügt warrt.

Blangen Röntgen- un Gammastrahlen warrt ok Betastrahlen för de Sterilisatschoon dör Bestrahlen nütt.

Historie vun’t Utforschen

Ernest Rutherford un Frederick Soddy hebbt 1903 en Hypothees opstellt, na de de Radioaktivität, de al 1896 vun Antoine Henri Becquerel opdeckt weer, mit de Ümwanneln vun cheemsche Elementen verknütt weer. De Betaverfall weer dorna as Born för de Betastrahlen utmaakt. Dorvun utgahn hebbt Kasimir Fajans un Soddy 1913 de so nöömten radioaktiven Schuuvsätz formuleert, mit de de natürlichen Verfallsregen dör openannerfolgen Alpha- un Betaverfallen verklort warrn künnt.

1911 hebbt Lise Meitner un Otto Hahn, dat de Energien vun de afstrahlten Elektronen över en kontinuierlich Spektrum verdeelt sünd. As aver de bi’n Verfall freesette Energie kunstant is, weer an sik en diskret Spektrum vermoodt worrn, as dat ok bi’n Alphaverfall beobacht warrt. Üm de schienbore Nichwohren vun de Energie (un ok dat Afwieken vun de Impuls- un Dreihimpulswohren) to verkloren, hett Wolfgang Pauli 1930 in en Breef de Bedeeligen vun en neutral, düchtig licht Elementardeelken an’n Verfall vörslahn, för dat he de Beteken „Neutron“ wählt harr. Enrico Fermi hett den Naam 1931 in Neutrino ännert, as lütte Form vun dat tietgliek opdeckte aver düütlich sworere Neutron.

Dat Betadeelken atomare Elektronen sünd, hebbt 1948 Maurice Goldhaber un Gertrude Scharff-Goldhaber nawiest. ^[1] De eerste experimentelle Nawies vun’t Neutrino hett eerst 1956 dör Clyde L. Cowan un Frederick Reines an een vun de eersten groten Karnreakters stattfunnen.

De β⁺-Verfall is 1934 vun Irène un Frédéric Joliot-Curie opdeckt worrn.

In’t Johr 1956 hett Chien-Shiung Wu in sien Experiment de Nichinhollen vun de Parität vun’n Betaverfall nawiest, de kort dorför vun Tsung-Dao Lee un Chen Ning Yang postuleert weer.

Künstliche Elektronenstrahlen

Af un to warrt ok fre’e Elektronen, de künstlich (to’n Bispeel dör en Gleihkathood) tüügt un in en Gaumaker op hoge Energie bröcht warrt as Betastrahlen betekent, wat aver nich akkerat is. Ok de Naam vun’t Elektronengaumaker-Tyyp Betatron wiest dorop hen.

Kiek ok

Duppelt Betaverfall

Literatur

Werner Stolz: Radioaktivität. Grundlagen – Messung – Anwendungen. Teubner, 5. Oplaag 2005, ISBN 3-519-53022-8
Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik. Teubner, 6. Opl. 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
Milorad Mlađenović: The History of Early Nuclear Physics (1896–1931). World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3
Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. Vieweg+Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
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
Günter Goretzki: Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen. Urban&Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr: Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig. Urban&Fischer Februar 2006, ISBN 3-437-23960-0

Borns

↑ Phys. Rev. 73 (1948) 1472

Weblenken

Strahlenschuulverorden bi’t Bundsministerium för Ümwelt, Naturschuul un Reaktersekerheit (PDF; 408 KB)
Dat „Glossar Strahlenschuul“ vun’t Forschungszentrum Jülich mit tallrieke Begreepsverkloren un Definitschonen to de Strahlen, Strahlenmeten un Expositschoon/Dosimetrie

[1] Phys. Rev. 73 (1948) 1472

[1]