Betastrahlung

Betastrahlung

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

Betastrahlung ist eine Teilchenstrahlung bestehend aus Elektronen bei der häufigeren β^--Strahlung oder Positronen bei der β⁺-Strahlung.

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

Betazerfall

Entstehung von Betastrahlung

Datei:BetaDecay.jpg

Feynmandiagramm für den Zerfall eines Neutrons n in Proton p, Elektron e⁻ und Elektron-Antineutrino ${\overline {\nu }}_{e}$ vermittelt über ein W-Boson W⁻.

Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In Folge des Zerfallvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen – Elektron oder Positron den Kern. Gleichzeitig entsteht ein Antineutrino bzw. Neutrino. Der Betazerfall wird nach der Art der emittierten Teilchen unterschieden. Bei abgestrahltem Elektron handelt es sich um Beta-minus-Zerfall (β⁻), bei abgestrahltem Positron um Beta-plus-Zerfall (β⁺).

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 Anti-Neutrino 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 in seinen Nachfolger im Periodensystem über.

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

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

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

Der einzige natürlich vorkommende β⁺-Strahler ist ⁴⁰K. Hier lautet die Formel:

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

Ein Konkurrenzprozess zum β⁺-Zerfall ist der sogenannte Elektroneneinfang. Hierbei wandelt sich ein Proton des Kern durch Einfangen eines Elektron aus einer kernnahen Schale in ein Neutron und ein Neutrino. Dieser Prozess tritt insbesondere auf, wenn die freiwerdende Umwandlungsenergie klein ist.

Historie

In der Frühzeit der Kernphysik führte die Beobachtung von Beta-Elektronen vorübergehend zu dem Fehlschluss, Elektronen seien Bestandteile des Atomkerns. Jedoch werden die beiden emittierten Teilchen erst im Zeitpunkt der Kernumwandlung erzeugt. Die schwache Wechselwirkung vermittelt die Umwandlung eines der im Neutron oder Proton vorhandenen Quarks in ein anderes Quark, wobei die freigesetzten Teilchen erzeugt werden.

Dass negative Betastrahlen das Gleiche sind wie Elektronen, also die Teilchen, aus denen die Atomhülle besteht, ist dadurch erwiesen, dass β^--Teilchen beim Zusammentreffen mit Hüllenelektronen offensichtlich dem Pauli-Prinzip unterliegen. Wären sie eine andere Teilchenart, könnten sie unabhängig von den vorhandenen Elektronen auf alle quantenmechanisch möglichen „Bahnen“ (Orbitale) eingefangen werden; die Absorption von β^--Strahlung in Materie müsste dann um Größenordnungen stärker sein als beobachtet. Entsprechend beweist die Annihilation von β⁺-Strahlung in Materie, dass es sich um Positronen, die Antiteilchen der Atomelektronen, handelt.

Zerfall des freien Neutrons

Im Gegensatz zu diesem kerngebundenen Zerfall des Neutrons gibt es auch noch den Betazerfall eines freien Neutrons, dessen Halbwertszeit nicht genau bekannt ist. Sie liegt bei rund 615 Sekunden, also etwa 10 Minuten. Der Grund für die Ungenauigkeit der Halbwertszeit ist deren schwierige Messung: Freie Neutronen lassen sich zwar mit Neutronenquellen, Kernreaktionen oder durch Kernspaltung gewinnen. Sie werden jedoch in kürzester Zeit von Materie eingefangen, bevor der Zerfall stattfindet. Für wissenschaftliche Berechnungen ist die Lebenszeit freier Neutronen aber eine elementare Konstante, die einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos hatte. In einer frühen Phase des Universums machten nämlich freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus. So könnte man die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung) besser nachvollziehen, wenn die Zerfallskonstante des Neutrons genau bekannt wäre. Außerdem erwartet man ein besseres Verständnis der Schwachen Wechselwirkung, die für den Betazerfall verantwortlich ist. Weltweit arbeiten verschiedene Arbeitsgruppen daran, die Zerfallszeit des freien Neutrons genauer zu messen. Dabei werden Neutronen in einer dreidimensionalen magnetischen Falle eingeschlossen. Die Wechselwirkung des Neutrons mit den Magnetkräften des Käfigs erfolgt über den schwachen magnetischen Dipol des Neutrons. Dies bedingt eine besonders ausgefeilte Gestaltung des Feldes im Käfig. Die Neutronen, die aus einem Forschungsreaktor in die Falle gelangen, werden von supraflüssigem Helium in der Kammer abgebremst und eingefangen. Das aus dem Zerfall stammende hochenergetische Elektron dient als Nachweis in der Kammer. Es ionisiert auf seiner Flugbahn mehrere Heliumatome, die über Molekülprozesse (Excimere) ein messbares Lichtsignal aussenden.

Wechselwirkung mit Materie

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

Biologische Wirkung

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 exponiert, kann es zur Linsentrübung kommen.

Werden Betastrahler in den Körper aufgenommen (inkorporiert), sind hohe Strahlenbelastungen in der Umgebung des Strahlers die Folge. 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

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.

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 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 eine sichere Abschirmung erreicht werden.

Anwendungen

In der Strahlentherapie werden Betastrahler (z.B. Sr-90, Ru-106) 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

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 so genannten radioaktiven Verschiebungssätze, mit denen die natürlichen Zerfallsreihen durch aufeinander folgende 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, wie es auch beim Alphazerfall beobachtet wird, erwartet. 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. 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

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.

Literatur

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

Kernphysik

• Theo Mayer-Kuckuk, Kernphysik, Teubner, 6. Aufl. 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 0387016724

Forschungsgeschichte

• Milorad Mlađenović, The History of Early Nuclear Physics (1896-1931), World Scientific 1992, ISBN 9810208073

Strahlenschutz

• Hanno Krieger, Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes, Teubner 2004, ISBN 3519004879
• Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz. Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen, Springer 2003, ISBN 3540008276
• James E Martin, Physics for Radiation Protection, Wiley 2006, ISBN 0471353736

Medizin

• Günter Goretzki, Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen, Urban&Fischer 2004, ISBN 3437472003
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Klinische Strahlenbiologie - kurz und bündig, Urban&Fischer Februar 2006, ISBN 3437239600

Weblinks

• Strahlenschutzverordnung beim Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (PDF; 408 KB)
• Das „Glossar Strahlenschutz“ des Forschungszentrums Jülich mit zahlreichen Begriffserklärungen und Definitionen zur Strahlung, Strahlungsmessung und Exposition/Dosimetrie.