Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Beta Strahlung

Hier lernst du was die Beta Strahlung ist und wie sie erzeugt wird. Du erfährst auch welche Eigenschaften sie hat, sowie ihre Auswirkungen auf den Menschen.

Schau dir am besten noch das Video zum Beta Zerfall an. Hier findest du die wichtigsten Informationen audiovisuell aufbereitet. Viel Spaß!

Inhaltsübersicht

Beta Strahlung einfach erklärt

Die Beta Strahlung oder auch \beta-Strahlung ist eine ionisierende Teilchenstrahlung, deren Erzeugung während eines Betazerfalls von Statten geht. Die Bezeichnung Teilchenstrahlung sagt aus, dass so genannte Betateilchen vom strahlenden Atomkern, dem Mutterkern oder Mutternuklid, emittiert werden. Dabei wandelt sich der Mutterkern in ein anderes chemisches Element um. Dieser neue Atomkern wird dementsprechend Tochterkern, oder Tochternuklid, genannt.
In Abhängigkeit von der Art der Beta Strahlung werden entweder negative Elektronen oder positive Positronen emittiert. Entsprechend werden diese beiden Arten Beta-Minus- (\beta^--) beziehungsweise Beta-Plus-(\beta^+-) Strahlung genannt. Beim \beta^--Zerfall wird der Mutterkern in ein Element mit der nächsthöheren Kernladungszahl, beim \beta^+-Zerfall mit der nächstniedrigeren Kernladungszahl, umgewandelt. Im Verlauf dieses Prozesses entsteht auch ein nicht detektierbares Elektron-Antineutrino, beziehungsweise Elektron-Neutrino. Im Gegensatz zur Alpha Strahlung kann die Geschwindigkeit der Betateilchen von Null bis zu fast Lichtgeschwindigkeit reichen.

Die Bezeichnung Beta Strahlung geht auf den Atomphysiker Ernest Rutherford zurück, welcher die Strahlung radioaktiver Stoffe nach ihrem Durchdringungsvermögen in Alpha- Beta- und Gamma Strahlung eingeteilt hat.

Beta Minus Zerfall

Der \beta^--Zerfall tritt bei Atomen auf, welche einen Überschuss an Neutronen haben. Diese erreichen einen stabileren Zustand durch das Emittieren eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos. Bei diesem Prozess wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Daher bleibt die Massenzahl A erhalten und die Kernladungszahl Z wird um 1 erhöht. Das Atom geht also in seinen Nachfolger im Periodensystem über. Dadurch ergibt sich folgende Reaktionsgleichung:

^{A} _{Z} X \rightarrow ^{A} _{Z+1} Y + e^- + \bar{\nu}}_e

Beta Strahlung, Beta-Minus-Zerfall, Beta Minus Zerfall
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Beta-Minus-Zerfall
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Beta Plus Zerfall

Beim \beta^+-Zerfall wird ein Proton eines protonenreichen Atoms in ein Neutron umgewandelt. Wie zuvor bleibt hierbei die Massenzahl A erhalten, jedoch wird die Kernladungszahl Z um 1 verringert. Das Atom geht also in seinen Vorgänger im Periodensystem über. Bei diesem Zerfall wird neben dem Positron noch ein Elektron-Neutrino ausgesandt. Die Reaktionsgleichung sieht dann wie folgt aus:

^{A} _{Z} X \rightarrow ^{A} _{Z-1} Y + e^+ + \nu_e

Beta Stahlung, Beta-Plus-Zerfall, Beta Plus Zerfall
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Beta-Plus-Zerfall

Beta Zerfall Beispiel

Wie jeder Zerfall, kommt auch der \beta-Zerfall natürlich vor. In Folge siehst du zwei beispielhafte Reaktionsgleichungen typischer \beta-Zerfälle.
Ein typischer \beta^--Zerfall ist Gold-198 zu Quecksilber-198:

^{198} _{79} Au \rightarrow ^{198} _{80} Hg + e^- + \bar{\nu}}_e

Der \beta^+-Zerfall ist im Allgemeinen sehr selten. Ein typisches Beispiel hierfür ist jedoch der Zerfall von Kalium-40 zu Argon:

^{40} _{19} K \rightarrow ^{40} _{20} Ar + e^+ + \nu_e

Inverser Beta Zerfall

Der inverse Beta Zerfall oder auch IBD (englisch: inverse beta decay) ist ein Elementarteilchenprozess, bei welchem die Reaktion mit einem Antineutrino die Umwandlung eines Protons in ein Neutron bewirkt. Also die Umkehrung des \beta-Zerfalls.

^1 _1 p + \bar{\nu}}_e \rightarrow ^1 _0 n + e^+

Damit dieser Prozess stattfinden kann benötigt das Antineutrino eine Mindestenergie von 1,806 MeV (Mega-Elektronen-Volt).
Aber auch der Prozess des Elektroneneinfangs wird als IBD bezeichnet.

^1 _1 p + e^- \rightarrow ^1 _0 n + \nu_e

Zerfall eines Neutrons

Freie Neutronen kommen auf der Erde fast gar nicht vor. Diese werden normalerweise unmittelbar eingefangen, weswegen dieser Zerfall bei uns keine Rolle spielt. Im Vakuum jedoch ist ihre Häufigkeit wesentlich größer. Dort haben diese eine Halbwertszeit von etwa zehn Minuten. Solche freien Neutronen unterliegen auch dem \beta^--Zerfall.

n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}}_e

Beta Zerfall Eigenschaften

Beobachtest du einen Beta Zerfall in einer Nebelkammer so erkennst du verschieden lange, dünne Spuren. Durch Anlegen von Magnetfeldern können diese stark in die gleiche Richtung, wie negativ geladene Teilchen, abgelenkt werden. Diese Beobachtungen zeigen dir, dass Betateilchen eine negative Ladung und geringe Masse haben. Anders als bei Alpha Teilchen sind sie jedoch weniger ionisierend, weswegen sie auch dünnere Bahnen hinterlassen. Ein weiterer Unterschied zu den Alpha Teilchen ist auch aufgrund der Bahnlängen zu beobachten. Die verschieden langen Bahnen zeigen dir, dass Betateilchen verschiedene Energien haben. Die folgende Tabelle zeigt dir die Energien von \beta^--Teilchen bei häufig auftretenden Zerfällen.

\begin{tabular}[h]{lcr} Radionuklid & Energie in MeV \\ H-3 & 0,019 \\ Co-60 & 0,32 \\ Pb-210 & 0,064 \\ Bi-214 & 3,27 \\ \end{tabular}

Zwar hängt die Reichweite und Eindringtiefe von der Energie und dem umgebenden Material ab, jedoch ist die Reichweite dennoch gering. Bereits mehrere Blatt Papier reichen, um eine vollkommene Abschirmung der Beta Strahlung zu ermöglichen. Die nächste Tabelle zeigt dir die Reichweiten bei verschiedenen Energien in Luft und in Gewebe.

\begin{tabular}[h]{lcr} Teilchenenergie in MeV & Reichweite in Luft & Reichweite in Gewebe \\ 0,01 & 0,003 m & 0,0025 mm\\ 0,1 & 0,10 m & 0,16 mm\\ 0,5 & 1,2 m & 1,87 mm\\ 1,0 & 3,06 m & 4,75 mm\\ 2 & 7,10 m & 11,1 mm\\ 5 & 19,0 m &  27,8 mm\\ 10 & 39,0 m &  60,8 mm\\ 20 & 78 m &  123 mm\\ \end{tabular}

Wirkung auf den Menschen

Die Wirkung der Beta Strahlung auf den Menschen ist abhängig von der Strahlenintensität und ob die Strahlung von außen oder von innen kommt. Von außen werden normalerweise nur die oberen Hautschichten geschädigt. Bei hoher Intensität kann es jedoch zu schweren Verbrennungen kommen und in besonders schweren Fällen zu Spätfolgen wie Hautkrebs.
Wird der Betastrahler durch Nahrung oder Luft aufgenommen und im Körper abgelagert, sind schwere Schäden zu erwarten. Schilddrüsenkrebs, Knochenkrebs und Leukämie können folgen sein.
Die Aufnahme solcher Strahler ist allerdings selten möglich und äußere Schäden sind meist schon durch das Tragen von Kleidung zu verhindern.

Beta Zerfall Anwendungen

Für den Beta Zerfall gibt es einige Anwendungsgebiete, vor allem in der Medizin. In der Nuklearmedizin werden Betastrahler als Tracer benutzt und in der Strahlentherapie zur Brachytherapie.
Du siehst also, auch wenn die Beta Strahlung gefährlich für den menschlichen Körper sein kann, so ist es auch möglich mit ihr medizinische Behandlungen am menschlichen Körper durchzuführen.

Alpha Gamma Strahlung

Du hast bereits gehört, dass es neben der Beta Strahlung auch noch die Alpha- und die Gamma Strahlung gibt. Zu beachten ist, dass Alpha- und Beta Strahlen Teilchenstrahlen sind. Die Gamma Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung. Sie unterscheiden sich unter anderem in ihrer Eindringtiefe und ihrem Ionisationsgrad. Schau dir in diesem Zusammenhang am besten noch unsere Videos zur Alpha Strahlung  und Gamma Strahlung an. In diesen wurde für dich bereits der Themenkomplex eingängig aufbereitet.

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