Beta-Teilchen treten entweder mit negativer oder positiver Ladung (β- oder β+) auf und sind bekanntlich entweder Elektronen oder Positronen, daher stellt der Betazerfall einen radioaktiven Zerfall dar, bei dem ein Betateilchen emittiert wird. Die kinetische Energie der Betateilchen hat ein kontinuierliches Spektrum.
Beta-Minus-Zerfall
Wenn die Anzahl der Neutronen in einem Kern im Überschuss ist, wird ein Neutron der folgenden Umwandlung unterzogen: n –> p + β- + νe*, d.h., ein Neutron wird in ein Proton umgewandelt, wobei ein Beta-Minus-Teilchen (Elektron) und ein Antineutrino emittiert werden. Das Antineutrino hat weder Ruhemasse noch elektrische Ladung und geht keine Wechselwirkung mit der Materie ein.
Bei den Isotopen, die einen β- -Zerfall durchlaufen, emittiert jeder Kern ein Elektron und ein Antineutrino. Die Massenzahl bleibt gleich, aber die Ordnungszahl erhöht sich um eins.
Es gibt zahlreiche Beispiele für Beta-Minus-Emitter in der Natur wie 14C, 40K, 3H, 60Co usw. Das in der Radiologie wichtige Beispiel ist der Zerfall von Kobalt-60: 60Co –> 60Ni + β- + ν*.
Beta-Plus-Zerfall
Wenn die Anzahl der Neutronen in einem Kern kleiner ist als die Anzahl der Protonen in einem instabilen Kern, macht ein Proton folgende Umwandlung durch: p –> n + β+ + νe, d.h.d. h. ein Proton wird unter Aussendung eines Positrons (β+ oder Beta-Plus-Teilchen) und eines Neutrinos in ein Neutron umgewandelt. Ähnlich wie ein Antineutrino hat ein Neutrino weder eine elektrische Ladung noch eine Ruhemasse.
Beim β+-Zerfall emittiert jeder zerfallende Kern ein Positron und ein Neutrino, wodurch sich seine Ordnungszahl um eins verringert, während die Massenzahl gleich bleibt.
Ein Positron existiert nicht lange in Gegenwart von Materie. Es verbindet sich dann mit einem Elektron, mit dem es eine Annihilation eingeht. Die Massen beider Teilchen werden dann durch elektromagnetische Energie ersetzt, die bei der Annihilation in Form von zwei 511-keV-Gammastrahlen emittiert wird, die in fast entgegengesetzte Richtungen ausgestrahlt werden.
In der Natur gibt es keine Positronenstrahler. Sie werden in Kernreaktionen erzeugt. Die wichtigsten Positronenstrahler in der Medizin sind 11C, 15O, 18F, 30P usw.
Elektroneneinfang
Elektroneneinfang findet gleichzeitig mit dem Beta-Plus-Zerfall statt (d.h. in Kernen mit zu wenig Neutronen). Anstelle der Umwandlung eines Protons in ein Neutron, bei der ein Betateilchen zusammen mit einem Neutrino emittiert wird, fängt das Proton ein Elektron aus der K-Schale ein: p + e –> n + ν.
Die Energie der emittierten Betateilchen beträgt etwa 3 MeV, ihre Geschwindigkeit entspricht etwa der Lichtgeschwindigkeit.
Beta-Teilchen können Materie durchdringen. Bei Kollisionen mit den Atomen verlieren sie Energie. Dabei gibt es eigentlich zwei Prozesse:
- Ein Betateilchen überträgt einen kleinen Teil seiner Energie auf das getroffene Atom
- Ein Betateilchen wird bei jedem Zusammenstoß von seiner ursprünglichen Bahn abgelenkt, und da die Änderung der Geschwindigkeit zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung führt, geht ein Teil der Energie in Form von niederenergetischer Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung) verloren.
Geschichte und Etymologie
Enrico Fermi theoretisierte den Betazerfall erstmals 1933. In diesem Jahr schrieb er sein berühmtes Werk: „Tentativo di una teoria dell’emissione dei raggi beta“; darin verwandelte er Paulis qualitative Hypothese in eine quantitative Theorie.
Siehe auch
- Alpha-Zerfall