Betastrahlung

Betastrahlung oder β-Strahlung ist eine ionisierende Strahlung, die bei einem radioaktiven Zerfall, dem Betazerfall, auftritt. Ein radioaktives Nuklid, das Betastrahlung aussendet, wird als Betastrahler bezeichnet. Diese Teilchenstrahlung besteht bei der häufigeren β⁻-Strahlung (gesprochen: Beta-Minus-Strahlung) aus Elektronen, bei der selteneren β⁺-Strahlung dagegen aus Positronen.

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

Die emittierten Teilchen haben im Gegensatz zur Alphastrahlung nicht eine bestimmte (diskrete) kinetische Energie, sondern ihre Energien sind von null bis zu einem für das jeweilige Radionuklid charakteristischen Maximalwert kontinuierlich verteilt. Grund hierfür ist die Aufteilung der freiwerdenden Zerfallsenergie auf drei Teilchen: das Betateilchen, ein ebenfalls erzeugtes Neutrino und den Tochterkern. Die typische maximale Energie von Betastrahlung liegt in der Größenordnung von 1 MeV.

Entstehung

Beta-Zerfall von Atomkernen

Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In der Folge des Zerfallsvorgangs verlassen gleichzeitig ein mehr oder weniger energiereiches Betateilchen – Elektron oder Positron – und ein Antineutrino bzw. Neutrino den Kern.

In der Anfangszeit der Kernphysik führte die Beobachtung von Beta-Elektronen vorübergehend zu dem Fehlschluss, Elektronen seien Bestandteile des Atomkerns.<ref>siehe z. B. Max Planck: Das Weltbild der neuen Physik. Leipzig: Barth, 1929, S. 17/18.</ref> Nach heutigem Wissen werden jedoch die beiden emittierten Teilchen erst zum Zeitpunkt der Kernumwandlung erzeugt: Ein W-Boson vermittelt die schwache Wechselwirkung und bewirkt die Umwandlung eines im Neutron (bzw. Proton) vorhandenen d-Quarks (bzw. u-Quarks) in ein u-Quark (d-Quark) und damit die Umwandlung des Neutrons in ein Proton (Protons in ein Neutron). Das umgewandelte Quark behält seine Rolle als Bestandteil des umgewandelten Nukleons bei, die beiden entstandenen Leptonen verlassen den Kern.

Der Betazerfall wird nach der Art der emittierten Teilchen unterschieden. Wenn ein Elektron abgestrahlt wird, handelt es sich um Beta-Minus-Zerfall (β⁻), bei einem abgestrahlten Positron um Beta-Plus-Zerfall (β⁺).

Dass Beta-Minus-Strahlen tatsächlich dieselbe Teilchenart sind wie die Elektronen der Atomhülle, zeigt sich in ihrer Wechselwirkung mit Materie.<ref name="Goldhaber"> Maurice Goldhaber, Gertrude Scharff-Goldhaber: Identification of beta-rays with atomic electrons. In: Physical Review. Volume 73, Nr. 12, 1948, S. 1472–1473, doi:10.1103/PhysRev.73.1472.</ref> Das Pauli-Prinzip verhindert, dass die Betateilchen in die bereits mit Elektronen besetzten Zustände des Atoms eingefangen werden, während dies beispielsweise für Myonen möglich ist und beobachtet wird.

Beta-Minus-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 Antineutrino 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 <math>A</math> unverändert, während sich die Kernladungszahl <math>Z</math> um 1 erhöht. Das Element geht also in seinen Nachfolger im Periodensystem über.

Schreibt man wie üblich Massenzahlen <math>A</math> oben und Kernladungszahlen <math>Z</math> unten an die Symbole, kann demnach der Zerfall des Neutrons durch folgende Formel beschrieben werden:

<math>{}^{1}_{0} \mathrm {n} \to {}^{1}_{1} \mathrm {p} + \mathrm{e}^{-} + \overline{\nu}_e</math>

Bezeichnet X das Mutter- und Y das Tochternuklid, so gilt für den β⁻-Zerfall allgemein:

<math>{}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A}_{Z+1} \mathrm {Y} + \mathrm{e}^{-} \mathrm + \overline{\nu}_e</math>

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

<math>{}^{198}_{\ 79} \mathrm {Au} \to {}^{198}_{\ 80} \mathrm {Hg} + \mathrm{e}^{-}+ \overline{\nu}_e </math>

Beta-Plus-Zerfall (β⁺)

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

Die Umwandlung des Protons in ein Neutron geschieht durch:

<math>{}^{1}_{1} \mathrm {p} \to {}^{1}_{0} \mathrm {n} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e</math>

Mit den gleichen Bezeichnungen wie oben lässt sich der allgemeine β⁺-Zerfall beschreiben durch:

<math>{}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A}_{Z-1} \mathrm {Y} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e</math>

Das am häufigsten vorkommende primordiale Nuklid, bei dem (unter anderem) β⁺-Zerfall auftritt, ist Kalium-40 (⁴⁰K). Hier lautet die Formel:

<math>{}^{40}_{19} \mathrm {K} \to {}^{40}_{18} \mathrm {Ar} + \mathrm{e}^{+} + \nu_e </math>

Ein Konkurrenzprozess zum β⁺-Zerfall ist der sogenannte Elektroneneinfang. Hierbei verwandelt sich ein Proton des Kerns durch Einfangen eines Elektrons aus einer kernnahen Schale der Atomhülle in ein Neutron und ein Neutrino. Dieser Prozess tritt stets neben der Positronenemission auf, als alleiniger Zerfallskanal dann, wenn die Umwandlungsenergie kleiner als die Ruheenergie eines Positrons ist. Auch der Elektroneneinfang beweist, dass Hüllenelektronen und Beta-Elektronen dieselbe Teilchenart sind.

Zerfall des freien Neutrons

Auch ein freies Neutron unterliegt dem Betazerfall. Dabei wandelt es sich in ein Proton, ein Antineutrino und ein Elektron um, das als Betastrahlung nachgewiesen werden kann:

<math>\hbox{n}\to\hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_{\mathrm{e}}</math>

Die Lebensdauer für diesen Zerfall beträgt 880,3 ± 1,1 Sekunden,<ref name="rpp2014">K.A. Olive et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C38, 090001 (2014): N Baryons Summary Table</ref> also knapp 15 Minuten. Dies entspricht einer Halbwertszeit von rund 10 Minuten. In normaler Umgebung auf der Erde (z. B. in Luft) wird praktisch jedes frei werdende Neutron in viel kürzerer Zeit durch einen Atomkern eingefangen; deshalb spielt dieser Zerfall hier keine merkliche Rolle.

Energiespektrum

Die Energieverteilung der Betastrahlung (Betaspektrum) ist kein Linienspektrum, sondern kontinuierlich, weil sich die beim Zerfall frei werdende Energie nicht auf zwei, sondern auf drei Teilchen (Atomkern, Elektron/Positron und Antineutrino/Neutrino) verteilt, so dass die Erhaltung des Gesamtimpulses die Energien der einzelnen Teilchen nicht festlegt (siehe Kinematik (Teilchenprozesse)).

Die Abbildung zeigt ein einfaches gemessenes Elektronenspektrum. Komplexere Spektren treten auf, wenn Betaübergänge zu verschiedenen Energieniveaus des Tochterkerns sich überlagern.

Beispiele für Beta-Höchstenergien:

• ³H 0,0186 MeV (β⁻)
• Neutron 0,78 MeV (β⁻)
• ¹¹C 0,96 MeV (β⁺)
• ³⁷K 5,1 MeV (β⁺)
• ²⁰F 5,4 MeV (β⁻)
• ²¹⁰Bi 1,16 MeV (β⁻)

Konversionselektronen

Bei vielen Messungen der Betastrahlung ergeben sich Spektren, die auf dem breiten Kontinuum auch scharfe Linien (Peaks) zeigen. Dabei handelt es sich um Elektronen, die durch Innere Konversion eines angeregten Kernzustands aus der Hülle emittiert wurden. Dieser Anteil des Spektrums wurde früher<ref>z. B. Ch. Gerthsen: Physik. 6. Auflage, Springer 1960, S. 329.</ref> als diskretes Betaspektrum bezeichnet, obwohl er mit dem eigentlichen Betazerfall nichts zu tun hat.

Neutrinomasse

Die Form des Spektrums in der Nähe der maximalen Elektronen- oder Positronenenergie gibt Auskunft über die noch unbekannte Masse des Neutrinos/Antineutrinos. Dazu wird das hochenergetische Ende des Betaspektrums genau vermessen (z. B. im Experiment KATRIN). Ein abrupter im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Abfall bei der Höchstenergie beweist eine von null verschiedene Neutrinomasse und erlaubt, deren Wert zu bestimmen.

Polarisation

Betastrahlung ist in ihrer Emissionsrichtung longitudinal spinpolarisiert, das heißt, schnelle β⁻-Teilchen haben eine Polarisation entgegen der Flugrichtung (anschaulich: bewegen sich wie eine Linksschraube), schnelle β⁺-Teilchen eine Polarisation in Flugrichtung. Dies ist eine grundlagenphysikalisch interessante Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung, da sie die Nichterhaltung der Parität beweist. Für Wirkungen und Anwendungen der Strahlung spielt sie jedoch praktisch keine Rolle.

Wechselwirkung mit Materie

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

Ist das eindringende Teilchen ein Positron (β⁺-Teilchen), trifft es sehr bald auf ein Elektron, also sein Antiteilchen. Dabei kommt es zur Annihilation, aus der (meist) zwei Photonen im Gammabereich hervorgehen.<ref name="krieger">Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes 2. Auflage. S. 109.</ref>

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 der Strahlung ausgesetzt, kann es zur Linsentrübung kommen.

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

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.

Bei β⁺-Zerfall ist zu beachten, dass sich die β⁺-Teilchen mit Elektronen annihilieren (siehe oben), wobei Photonen frei werden. Diese haben Energien von etwa 511 keV (entsprechend der Masse des Elektrons) und liegen damit im Bereich der Gamma-Strahlung<ref name="krieger" />. 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 der 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 bei den angegebenen Energien eine sichere Abschirmung erreicht werden. Für Betastrahler mit höheren Energiewerten muss eine entsprechend dickere Abschirmung verwendet werden.

Anwendungen

In der Nuklearmedizin werden Betastrahler (z. B. ¹³¹I, ⁹⁰Y) in der Radionuklidtherapie verwendet. In der nuklearmedizinischen Diagnostik werden die β⁺-Strahler ¹⁸F, ¹¹C, ¹³N und ¹⁵O bei der Positronen-Emissions-Tomographie als radioaktive Markierung der Tracer eingesetzt. Ausgewertet wird dabei die durch Paarvernichtung entstehende Strahlung.

In der Strahlentherapie werden Betastrahler (z. B. ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru) in der Brachytherapie genutzt.

Betastrahlen werden auch – neben Röntgen- und Gammastrahlung – bei der Strahlensterilisation eingesetzt.

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 sogenannten radioaktiven Verschiebungssätze, mit denen die natürlichen Zerfallsreihen durch aufeinanderfolgende Alpha- und Betazerfälle erklärt werden. Die Vorstellung, dass die Betaelektronen selbst wie die Alphateilchen alle aus dem Kern stammten, verfestigte sich 1913 im Kreis von Ernest Rutherford.

In der Anfangszeit galt lange als allgemeiner Konsens, dass Beta-Teilchen wie Alphateilchen ein für jedes radioaktive Element charakteristisches diskretes Spektrum haben. In 1911<ref>O. v. Baeyer, L. Meitner, O. Hahn, Magnetische Spektren der Beta-Strahlen des Radiums, Physikalische Zeitschrift, Band 12, 1911, S. 1099–1101.</ref> und den Folgejahren veröffentlichten Experimenten von Lise Meitner, Otto Hahn und Otto von Baeyer mit Photoplatten als Detektoren und in den verbesserten Experimenten von Jean Danysz in Paris 1913 zeigte sich aber ein komplexeres Spektrum mit einigen Anomalien (besonders bei Radium E, also bei ²¹⁰Bi), die auf ein kontinuierliches Spektrum der Beta-Teilchen hinwiesen. Meitner hielt dies wie die meisten ihrer Kollegen zunächst für einen sekundären Effekt, also kein Kennzeichen der ursprünglich emittierten Elektronen. Erst die Experimente mit einem magnetischen Spektrometer und Zählrohren als Detektoren von James Chadwick im Labor von Hans Geiger in Berlin 1914 zeigten, dass das kontinuierliche Spektrum ein Kennzeichen der Betaelektronen selbst war.<ref>Chadwick, Intensitätsverteilung im magnetischen Spektrum der Betastrahlen von Radium B+C, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Band 16, 1914, S. 383–391.</ref> 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 (italienisch für „kleines Neutrales“), zur Unterscheidung von dem nahezu zeitgleich entdeckten wesentlich schwereren Neutron. Die Identität der Beta-Teilchen mit atomaren Elektronen wurde 1948 von Maurice Goldhaber und Gertrude Scharff-Goldhaber nachgewiesen.<ref name="Goldhaber" /> Der erste experimentelle Nachweis des Neutrinos gelang erst 1956 an einem der ersten großen Kernreaktoren (siehe Cowan-Reines-Neutrinoexperiment).

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.

Siehe auch

• Mattauchsche Isobarenregel
• Doppelter Betazerfall
• Betavoltaik

Literatur

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

Kernphysik

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

Forschungsgeschichte

• Carsten Jensen: Controversy and Consensus: Nuclear Beta Decay 1911–1934, Birkhäuser 2000
• Milorad Mlađenović: The History of Early Nuclear Physics (1896–1931). World Scientific, 1992, ISBN 981-02-0807-3.

Strahlenschutz

• 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.

Medizin

• Günter Goretzki: Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen. Urban&Fischer, 2004, ISBN 3-437-47200-3.
• Thomas Herrmann, Michael Baumann und Wolfgang Dörr: Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig. Urban&Fischer, 2006, ISBN 3-437-23960-0.

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.

Einzelnachweise

<references />