Ein Betateilchen , auch Betastrahl oder Betastrahlung genannt (Symbol β ), ist ein hochenergetisches, schnelles Elektron oder Positron, das beim radioaktiven Zerfall eines Atomkerns , dem sogenannten Beta-Zerfall , emittiert wird . Es gibt zwei Formen des Beta-Zerfalls, den β⁻ - Zerfall und den β⁺ - Zerfall, die Elektronen bzw. Positronen erzeugen. [ 2 ]
Betateilchen mit einer Energie von 0,5 MeV haben in der Luft eine Reichweite von etwa einem Meter und können weder Kleidung noch dünne Metallplatten durchdringen; die Reichweite hängt von der Energie des Teilchens sowie der Dichte und Zusammensetzung der Luft ab.
Betateilchen sind eine Art ionisierender Strahlung und gelten im Strahlenschutz als ionisierender als Gammastrahlen , aber weniger ionisierend als Alphateilchen . Je höher die ionisierende Wirkung, desto größer die Schädigung von lebendem Gewebe, aber auch desto geringer die Durchdringungsfähigkeit der Strahlung. Die ionisierende Wirkung eines Betateilchens entsteht dadurch, dass es Elektronen aus Elektronenschalen herausschlägt, entweder durch elektrostatische Kräfte oder durch Energieübertragung vom Betateilchen auf das Elektron bei Stößen. Sie erzeugen in Luft etwa 100 Ionenpaare pro cm³, d. h. ein Ion plus ein freigesetztes Elektron.
Beta-Zerfallsmodi
β − Zerfall (Elektronenemission)
Ein instabiler Atomkern mit einem Überschuss an Neutronen kann dem β −- Zerfall unterliegen, bei dem ein Neutron in ein Proton , ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino (das Antiteilchen des Neutrinos ) umgewandelt wird :
- n → p + e−+ νe
Dieser Prozess wird durch die schwache Wechselwirkung vermittelt . Das Neutron wandelt sich durch die Emission eines virtuellen W⁻ - Bosons in ein Proton um . Auf Quark- Ebene wandelt die W⁻ - Emission ein Down-Quark in ein Up-Quark um, wodurch ein Neutron (ein Up-Quark und zwei Down-Quarks) in ein Proton (zwei Up-Quarks und ein Down-Quark) umgewandelt wird. Das virtuelle W⁻ - Boson zerfällt anschließend in ein Elektron und ein Antineutrino.
Der β⁻-Zerfall tritt häufig unter den neutronenreichen Spaltprodukten auf, die in Kernreaktoren entstehen . Auch freie Neutronen zerfallen über diesen Prozess. Beide Prozesse tragen zu den großen Mengen an Betastrahlung und Elektron-Antineutrinos bei, die von den Brennstäben von Spaltreaktoren erzeugt werden.
β + Zerfall (Positronenemission)
Instabile Atomkerne mit einem Überschuss an Protonen können dem β + -Zerfall, auch Positronenzerfall genannt, unterliegen, bei dem ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Elektron-Neutrino umgewandelt wird :
- p → n + e++ νe
Der Beta-Plus-Zerfall kann innerhalb von Atomkernen nur dann stattfinden, wenn der Absolutwert der Bindungsenergie des Tochterkerns größer ist als der des Mutterkerns, d. h. der Tochterkern befindet sich in einem Zustand niedrigerer Energie.
Beta-Zerfallsschemata
Das beigefügte Zerfallsschema zeigt den Beta-Zerfall von Cäsium-137 . 137Cs ist für seinen charakteristischen Gamma-Peak bei 661 keV bekannt, der jedoch vom Tochternuklid 137mBa emittiert wird . Das Diagramm zeigt Art und Energie der emittierten Strahlung, ihre relative Häufigkeit und die Tochternuklide nach dem Zerfall.
Phosphor-32 ist ein Beta-Strahler, der in der Medizin weit verbreitet ist. Er hat eine kurze Halbwertszeit von 14,29 Tagen [ 3 ] und zerfällt durch Beta-Zerfall zu Schwefel-32 , wie in dieser Kernreaktionsgleichung dargestellt:
Beim Zerfall werden 1,709 MeV Energie freigesetzt. [ 3 ] Die kinetische Energie des Elektrons variiert im Mittel um etwa 0,5 MeV, der Rest der Energie wird vom nahezu nicht nachweisbaren Elektron-Antineutrino getragen . Im Vergleich zu anderen Beta-Strahlern emittierenden Nukliden besitzt das Elektron eine moderate Energie. Es wird von etwa 1 m Luft oder 5 mm Acrylglas abgeschirmt .
Wechselwirkung mit anderen Stoffen
Von den drei häufigsten Strahlungsarten radioaktiver Materialien – Alpha- , Beta- und Gammastrahlung – besitzt Betastrahlung ein mittleres Durchdringungsvermögen und eine mittlere Ionisierungskraft. Obwohl die Energie der von verschiedenen radioaktiven Materialien emittierten Betateilchen variiert, lassen sich die meisten Betateilchen durch wenige Millimeter Aluminium abschirmen . Dies bedeutet jedoch nicht, dass Beta-strahlende Isotope durch solch dünne Abschirmungen vollständig geschützt werden können: Beim Abbremsen in Materie emittieren Beta-Elektronen sekundäre Gammastrahlen, die ein höheres Durchdringungsvermögen als Beta-Strahlung selbst besitzen. Abschirmungen aus Materialien mit geringerer Atommasse erzeugen Gammastrahlen mit niedrigerer Energie, wodurch solche Abschirmungen pro Masseneinheit etwas effektiver sind als solche aus Materialien mit größeren Atomen wie Blei.
Da Betastrahlung aus geladenen Teilchen besteht, ist sie stärker ionisierend als Gammastrahlung. Beim Durchgang durch Materie wird ein Betateilchen durch elektromagnetische Wechselwirkungen abgebremst und kann Bremsstrahlung ( Röntgenstrahlung) abgeben .
In Wasser übersteigt die Betastrahlung vieler Kernspaltprodukte typischerweise die Lichtgeschwindigkeit in diesem Material (die etwa 75 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt) [ 4 ] und erzeugt daher beim Durchgang durch Wasser blaue Tscherenkow-Strahlung . Die intensive Betastrahlung der Brennstäbe von Schwimmbadreaktoren kann somit durch das transparente Wasser, das den Reaktor umgibt und abschirmt, sichtbar gemacht werden (siehe Abbildung rechts).
Detektion und Messung
Die ionisierende oder anregende Wirkung von Betateilchen auf Materie ist der grundlegende Prozess, mit dem radiometrische Messgeräte Betastrahlung nachweisen und messen. Die Ionisation von Gas wird in Ionisationskammern und Geiger-Müller-Zählern genutzt , die Anregung von Szintillatoren in Szintillationszählern . Die folgende Tabelle zeigt Strahlungsgrößen in SI- und Nicht-SI-Einheiten:
| Menge | Einheit | Symbol | Ableitung | Jahr | SI- Äquivalent |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktivität ( A ) | Becquerel | Bq | s −1 | 1974 | SI-Einheit |
| Curie | Ci | 3,7 × 10 10 s −1 | 1953 | 3,7 × 10 10 Bq | |
| Rutherford | Straße | 10 6 s −1 | 1946 | 1.000.000 Bq | |
| Belichtung ( X ) | Coulomb pro Kilogramm | C/kg | C⋅kg −1 Luft | 1974 | SI-Einheit |
| Röntgen | R | esu /0,001 293 g Luft | 1928 | 2,58 × 10 −4 C/kg | |
| Absorbierte Dosis ( D ) | grau | Gy | J ⋅kg −1 | 1974 | SI-Einheit |
| Erg pro Gramm | erg/g | erg⋅g −1 | 1950 | 1,0 × 10 −4 Gy | |
| Rad | Rad | 100 erg⋅g −1 | 1953 | 0,010 Gy | |
| Äquivalente Dosis ( H ) | Sievert | Sv | J⋅kg −1 × W R | 1977 | SI-Einheit |
| Röntgenäquivalent Mann | rem | 100 erg⋅g −1 × W R | 1971 | 0,010 Sv | |
| Effektive Dosis ( E ) | Sievert | Sv | J⋅kg −1 × W R × W T | 1977 | SI-Einheit |
| Röntgenäquivalent Mann | rem | 100 erg⋅g −1 × W R × W T | 1971 | 0,010 Sv |
- Das Gray (Gy) ist die SI-Einheit der absorbierten Dosis , also der Menge an Strahlungsenergie, die im bestrahlten Material deponiert wird. Bei Betastrahlung entspricht dies numerisch der Äquivalentdosis , gemessen im Sievert , welche die stochastische biologische Wirkung niedriger Strahlungsdosen auf menschliches Gewebe angibt. Der Strahlungswichtungsfaktor von der absorbierten Dosis zur Äquivalentdosis beträgt für Betastrahlung 1, während er für Alphastrahlung 20 beträgt, was deren stärkere ionisierende Wirkung auf das Gewebe widerspiegelt.
- Das Rad ist die veraltete CGS- Einheit für die absorbierte Dosis und das Rem ist die veraltete CGS- Einheit für die Äquivalentdosis, die hauptsächlich in den USA verwendet wird.
Beta-Spektroskopie
Die in einzelnen Betateilchen enthaltene Energie wird mittels Betaspektrometrie gemessen ; die Untersuchung der erhaltenen Energieverteilung als Spektrum wird als Betaspektroskopie bezeichnet. Die Bestimmung dieser Energie erfolgt durch Messung der Ablenkung der Elektronenbahn unter dem Einfluss eines Magnetfelds. [ 5 ]
Anwendungen
Betateilchen können zur Behandlung von Erkrankungen wie Augen- und Knochenkrebs eingesetzt werden und dienen auch als Tracer. Strontium-90 ist das am häufigsten verwendete Material zur Erzeugung von Betateilchen.
Betateilchen werden auch in der Qualitätskontrolle eingesetzt, um die Dicke eines Produkts, beispielsweise von Papier , zu prüfen, das ein Walzensystem durchläuft. Ein Teil der Betastrahlung wird beim Durchgang durch das Produkt absorbiert. Ist das Produkt zu dick oder zu dünn, wird entsprechend weniger Strahlung absorbiert. Ein Computerprogramm, das die Qualität des hergestellten Papiers überwacht, passt dann die Walzenposition an, um die Dicke des Endprodukts zu verändern.
Eine sogenannte Betalichtlampe enthält Tritium und einen Leuchtstoff . Beim Zerfall des Tritiums werden Betateilchen ausgesendet; diese treffen auf den Leuchtstoff und regen ihn zur Abgabe von Photonen an , ähnlich wie die Kathodenstrahlröhre eines Fernsehers. Die Lampe benötigt keine externe Stromversorgung und leuchtet so lange, wie Tritium vorhanden ist (und sich der Leuchtstoff selbst nicht chemisch verändert); die Lichtmenge sinkt nach 12,32 Jahren, der Halbwertszeit von Tritium, auf die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes.
Der Beta-Plus-Zerfall (oder Positronenzerfall ) eines radioaktiven Tracer- Isotops ist die Quelle der Positronen, die bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET-Scan) verwendet werden.
Geschichte
Henri Becquerel entdeckte bei Experimenten mit Fluoreszenz zufällig, dass Uran eine mit schwarzem Papier umwickelte Fotoplatte einer unbekannten Strahlung aussetzte, die sich nicht wie Röntgenstrahlen abschalten ließ .
Ernest Rutherford setzte diese Experimente fort und entdeckte zwei verschiedene Arten von Strahlung:
- Alphateilchen , die auf den Becquerel-Platten nicht sichtbar waren, weil sie leicht vom schwarzen Packpapier absorbiert wurden.
- Betateilchen, die 100-mal durchdringender sind als Alphateilchen.
Seine Ergebnisse veröffentlichte er im Jahr 1899. [ 6 ]
Im Jahr 1900 maß Becquerel das Masse-Ladungs-Verhältnis ( m / e ) von Betateilchen mit der Methode von J. J. Thomson, die dieser zur Untersuchung von Kathodenstrahlen und zur Identifizierung des Elektrons verwendet hatte. Er fand heraus, dass das Masse-Ladungs-Verhältnis (e / m) eines Betateilchens dem des Thomson-Elektrons entspricht und schlug daher vor, dass es sich bei dem Betateilchen tatsächlich um ein Elektron handelt.
1948 entwickelten Maurice Goldhaber und Gertrude Scharff Goldhaber ein Experiment, um die Identität des Betateilchens mit dem Elektron auf Grundlage des Pauli-Prinzips weiter zu bestätigen . Sie beschossen eine Bleiprobe mit einem Betateilchenstrahl. Wären Betateilchen anders als Elektronen, würden sie sich Bahnen teilen und beim Übergang in niedrigere Bahnen Röntgenstrahlung einer bestimmten Frequenz aussenden. Diese Emission trat jedoch nicht auf, was bedeutet, dass Betateilchen aufgrund des Pauli-Prinzips keine Bahnen teilen können. [ 7 ]
Gesundheit
Betateilchen dringen mäßig tief in lebendes Gewebe ein und können spontane Mutationen in der DNA verursachen .
Beta-Strahlung kann in der Strahlentherapie zur Abtötung von Krebszellen eingesetzt werden .
Siehe auch
Referenzen
- ^ „Grundlagen der Strahlung“ . United States Nuclear Regulatory Commission. 2017-10-02.
- ^ Lawrence Berkeley National Laboratory (9. August 2000). „Beta-Zerfall“ . Nukleare Wandtafel . US-Energieministerium . Archiviert vom Original am 3. März 2016. Abgerufen am 17. Januar 2016 .
- ^ a b "Phosphorus-32" (PDF) . nucleide.org . Laboratoire Nationale Henri Becquerel. Archiviert (PDF) vom Original am 9. Oktober 2022. Abgerufen am 28. Juni 2022 .
- Die makroskopische Lichtgeschwindigkeit in Wasser beträgt 75 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ( c ) . Das Betateilchen bewegt sich schneller als 0,75c, aber nicht schneller als c.
- ^ Boeglin, Werner. "4. Beta-Spektroskopie — Dokumentation moderner Laborexperimente" . wanda.fiu.edu .
- ^ E. Rutherford (8. Mai 2009) [Veröffentlichung von Rutherford im Jahr 1899]. „Uranstrahlung und die dadurch hervorgerufene elektrische Leitfähigkeit“ . Philosophical Magazine . 47 (284): 109–163 . doi : 10.1080/14786449908621245 .
- ^ Perkowitz, Sidney P (28.03.2023). „Die Welt der Kernphysik erforschen: Leben und Wissenschaft von Gertrude Scharff-Goldhaber“ . Physics World . Abgerufen am 19.05.2026 .
Weiterführende Literatur
- Radioaktivität und Alpha-, Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlen
- Vorlesung über Strahlen und Teilchen an der Universität von Virginia
- Geschichte der Strahlung (Archiviert am 06.05.2017 in der Wayback Machine der Idaho State University)
- Grundlegende Informationen zur Kernphysik, archiviert am 05.12.2006 im Internetarchiv (Wayback Machine) des Lawrence Berkeley National Laboratory