Karlheinz Meier: Alpha-Zerfall (YouTube)

β-Zerfall

Beim β-Zerfall handelt es sich um eine Strahlung, die beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen auftreten kann. Beta-Strahlung ist eine Teilchenstrahlung. Ein Atomkern sendet Elektronen β^- oder Positronen β⁺ aus (Abb. 4). 

  

Abb. 4: Beta-Strahlung (Schema) links  β^- rechts  β⁺ [hpwt] (Radium, Actinium, Protactinium, Thorium)

Der Mutterkern zerfällt unter Ausstrahlung eines β-Teilchens (Elektron oder Positron) zum Tochterkern und ändert seine Atomsorte (Abb. 5). 

Abb. 5: Beta-Strahlung für Elektronen (Schreibweise) (Aurum (Gold), Hydrargyrum (Quecksilber))

Abb. 6: Beta-Strahlung für Positronen (Schreibweise) (Kalium, Argon)

Die Austrittsgeschwindigkeit des β-Teilchens liegt in einem Bereich von 0 bis zum einem Maximalwert kontinuierlich verteilt. Typischerweise liegt die Maximalenergie von β-Strahlern bei 1 MeV. Während des Zerfallvorgangs wandelt sich der Kern in einen isobaren Atomkern eines benachbarten Atoms um. Hierbei entstehen zwei Leptonen, die den Kern verlassen. Beim Beta-Minus-Zerfall handelt es sich um die Leptonen, Elektron und Antineutrino (Abb. 5). Beim Beta-Plus-Zerfall handelt es sich um ein Positron und ein Neutrino (Abb. 6). Die beiden Leptonen erhalten aufgrund von Energie- und Impulserhaltung die meiste Energie. 

Eindringtiefe: Die Eindringtiefe ist materialabhängig, aber gering. in Luft ca. 8 bis 720 cm (bei normalem Erdluftdruck)

Abschirmung: Schon eine Glasscheibe von 4mm Dicke reicht für die meiste Betastrahlung aus. 

Wirkung: Bei von außen kommender β-Strahlung werden nur die Hautschichten geschädigt. Es kann aber zu intensiven Verbrennungen kommen. Beim Aufnehmen eines Beta-Strahlers können um den Strahler große Schädigungen entstehen, zum Beispiel bei Einlagerung von radioaktivem Iod-131 (¹³¹I) in der Schilddrüse. 

Elektroneneinfang (β-Zerfall)

Ebenso zu den Beta-Zerfällen wird das Einfangen eines Elektrons vom Atomkern genannt. Hierbei entsteht keine Beta-Strahlung. Dennoch wandelt sich die Atomsorte um, da ein Proton durch Einfangen eines Elektrons zu einem Neutron wird (Abb. 7). Es handelt sich meist um ein K-Elektron, da die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons der K-Schale nicht 0 ist. Durch Auffüllung der K-Schale wird charakteristische Röntgenstrahlung frei. 

Abb. 7: Elektroneneinfang (Schreibweise)

Das Neutrino ist ein Teilchen, welches zunächst von Pauli 1931 hypothetisch eingeführt wurde, um den Drehimpuls- und Energieerhaltungssatz nicht zu verletzten.
Eigenschaften: keine Ladung, keine Ruhemasse, Spin s=½

Isotopenkarte

Abb. 8: Nuklidekarte (stabile Nuklide eingezeichnet) [HerMarSto1997, S. 569]

Zerfallsreihe

Abb. 9: Natürliche Zerfallsreihen [HerMarSto1997, S. 580]

γ-Strahlung

Bei der Gamma-Strahlung kann man nicht mehr von einem Zerfall des Kernes sprechen. Aus dem Kern wird ein Gamma-Quant, also eine elektromagnetische Welle, emittiert. Die Energie E=h·η ist hierbei sehr hoch. Von einem γ-Quant wird meist ab einer Energie über 200 keV gesprochen, was einer Wellenlänge kürzer als 5 pm entspricht. Die γ-Strahlung entsteht meist beim α & β Zerfall.

Abb. 10: Gamma-Emission (Schema) [hpwt] (Plutonium)

Das Energiespektrum von Gamma-Strahlung ist diskret und charakteristisch für das jeweilige Nuklid, so wie in etwa das optische Linienspektrum chemischer Elemente. => Die Aufnahme des Spektrums ist geeignet um Art und Menge der enthaltenen Nuklide zu bestimmen. Die diskreten Energien des Spektrums erklären sich durch die Lebensdauer der Übergänge. Der angeregte Kern baut ein oszillierendes elektromagnetisches Quadrupol-Feld auf. Das γ-Quant kann aber nur Dipolschwingungen aufnehmen. => Die Emission ist relativ unwahrscheinlich, was zu einer großen Lebensdauer τ führt. Da aber die Lebensdauer umgekehrt proportional seiner Energieunschärfe oder Linienbreite Γ ist (Γ=ђ/τ), ergeben sich bei einer Lebensdauer von ca. 10^-15 s disktrete Energiewerte.

Eindringtiefe: Die Eindringtiefe kann sehr weit sein, da die Intensität der Gamma-Strahlung exponentiell mit der Eindringtiefe abnimmt. Die Anzahl der γ-Quanten halbiert sich pro Halbwertsdicke. Die Halbwertsdicke hängt vom verwendeten Material ab.

Abschirmung: 

Material	Luft	Blei	Wasser	Alu	Eisen	Graphit	Beton	Bleiglas	Acryl
Eγ in MeV	in Meter	in Millimeter
0,1	35	0,107	41	15,2	2,4	20,3
0,2	44	0,62	51	21,1	6	25
0,3	50	1,56	58	24,8	8	28,8
0,4	56	2,65	65	27,8	9,4	32,4
0,5	62	3,85	72	30,5	10,5	35,4	33	13	70
0,6	67	4,92	77	33	11,5	38,3
0,8	76	6,9	88	37,7	13,2	44
1	84	8,7	108	42	14,7	48	50	24	90
1,5	101	11,7	121	51	18,1	59
2	121	13,4	141	60	20,8	69
3	145	14,6	175	73	24,4	87
4	174	14,7	204	83	26,7	101
5	196	14,4	230	91	28,1	115	100	45	200
6	213	14,1	251	97	28,9	125
8	242	13,4	286	106	29,7	144
10	265	12,6	315	112	29,7	158

          Tab. 1: Halbwertsdicke [DSFfS]

Wirkung: Bei einer Absorption im Gewebe wird die Energie des γ-Quant in beispielsweise Ionisationsvorgängen wirksam. Es treten Sekundärstrahlungen, wie z.B.: freigesetzte Elektronen und Röntgenquanten, auf. Chemische Verbindungen werden aufgebrochen. Es können somatische Schäden (am Organismus) oder genetische Schäden (am Erbgut) auftreten.

Typische Bezeichnungen:

In Wasser entspricht die Energiedosis von 1 Gy einer Temperaturerhöhung um 0,0024 K. Aber die Energieabgabe erfolgt auf einem sehr kleinen Raum, was zur Zerstörung von Molekülen führen kann.

Beta & Gamma Strahlung = 1, Alpha-Strahlung = 20

Analogien

Abb. 11: Analogie zwischen Elektronen im Metall und Nukleonen im Kern und Elektronenhülle und Atomkern [HerMarSto1997, S. 570/571]

Übersicht über Zerfallsreaktionen

Abb. 12: Zerfallsreaktionen [HerMarSto1997, S. 570/571]

PanFilmer: Strahlungsarten, Aktivität, Halbwertszeit - Harald Lesch (YouTube)