Betazerfall

Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In Folge des Zerfallvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen (Elektron oder Positron) den Kern; man spricht von Betastrahlung. Betazerfall wird nach dem emittierten Teilchen unterschieden: Bei abgestrahltem Elektron handelt es sich um Beta-minus-Zerfall (β^-), bei abgestrahltem Positron um Beta-plus-Zerfall (β⁺).

Neutronenreiche Isotope zerfallen über den Beta-minus-Prozess. Ein Neutron des Kerns wandelt sich in ein Proton um und sendet dabei ein Elektron aus. Zusammen mit dem Elektron entsteht ein beinahe unmessbares Elektron-Antineutrino. Sowohl Elektron als auch Anti-Neutrino verlassen den Atomkern, da beide Leptonen sind und nicht der starken Wechselwirkung unterliegen.

Siehe hierzu auch: Schwache Wechselwirkung.

Formelschreibweise eines β^--Zerfalls: ${}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A}_{Z+1} \mathrm {Y} + e^{-} + \overline{\nu}_e$

Die Massenzahl bleibt gleich, die Kernladungszahl erhöht sich um 1, da sich jetzt ein Neutron weniger, dafür aber ein Proton mehr im Kern befindet.

Ein typischer β^--Strahler ist ${}^{198} \mathrm {Au}$ . Hier lautet die Kernreaktiongleichung: ${}^{198} \mathrm {Au} \to {}^{198} \mathrm {Hg} + \mathrm {\beta}^{-}+ \overline{\nu}_e$

Das Element geht bei β^--Zerfallsprozessen immer in den Nachfolger im Periodensystem über.

Der Beta-plus-Zerfall tritt bei (in der Natur selten vorkommenden) protonenreichen Isotopen auf. Hierbei wird ein Proton des Kerns in ein Neutron umgewandelt. Dabei entsteht zusammen mit einem Positron ein Elektron-Neutrino.

Formelschreibweise eines β⁺-Zerfalls: ${}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A}_{Z-1} \mathrm {Y} + e^{+} + {\nu}_e$

Ein typischer β⁺-Strahler ist ${}^{40} \mathrm {K}$ . Er ist der einzige natürlich vorkommende Positronenstrahler. Hier lautet die Formel: ${}^{40}_{19} \mathrm {K} \to {}^{40}_{18} \mathrm {Ar} + \mathrm {\beta}^{+}+ {\nu}_e$

Anmerkung: Ein freies Proton kann nicht unter Emission eines Positrons in ein Neutron zerfallen, denn die Ruheenergieen des Neutrons und des Positrons sind zusammen größer als die des Protons. Bei einem in einem Kern gebundenen Proton können jedoch Effekte der Bindungsenergie den Zerfall ermöglichen.

Die beim Zerfall freigesetzten Teilchen (Elektron, Positron, Neutrinos) kommen vor dem Zerfall nicht als freie Teilchen im Atomkern vor. Die schwache Wechselwirkung vermittelt die Umwandlung eines der im Neutron oder Proton vorhandenen Quarks in ein anderes Quark, wobei die freigesetzten Teilchen erzeugt werden.

betazerfall.pngBeta-minus-Zerfall. Links: Unzerfallener Kern;
Rechts: Zerfallener Kern mit Elektron und Neutrino

Der Betazerfall ist im Bild gezeigt. Bild A zeigt den Ausgangskern, Bild B zeigt den zerfallenen Kern: Das vorderste Neutron (hellblau) ist nun ein Proton (rosa). Ein Elektron (gelb) und ein Antineutrino (unsichtbar aber durch einen grünen Pfeil angedeutet) verlassen den Kern.

Untersuchungen des Betazerfalls in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts gaben die ersten indirekten Hinweise auf die Existenz des Neutrinos. Aufgrund einer beobachteten scheinbaren Verletzung von Energie- und Impulserhaltung postulierte Wolfgang Pauli die Existenz eines damals nicht messbaren Teilchens. Die erste experimentelle Beobachtung von Neutrinos gelang erst in den 1950er Jahren an einem der ersten großen Kernreaktoren.

Zerfall des freien Neutrons Im Gegensatz zu diesem kerngebundenen Zerfall des Neutrons gibt es auch noch den Betazerfall eines freien Neutrons, dessen Halbwertszeit nicht genau bekannt ist. Sie liegt bei rund 615 Sekunden, also etwa 10 Minuten. Der Grund für die Ungenauigkeit der Halbwertszeit ist deren schwierige Messung: Freie Neutronen lassen sich zwar mit Neutronenquellen, Kernreaktionen oder durch Kernspaltung gewinnen. Sie werden jedoch in kürzester Zeit von Materie eingefangen, bevor der Zerfall stattfindet. Für wissenschaftliche Berechnungen ist die Lebenszeit freier Neutronen aber eine elementare Konstante, die einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos hatte. In einer frühen Phase des Universums machten nämlich freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus. So könnte man die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung) besser nachvollziehen, wenn die Zerfallskonstante des Neutrons genau bekannt wäre. Außerdem erwartet man ein besseres Verständnis der Schwachen Wechselwirkung, die für den Betazerfall verantwortlich ist. Weltweit arbeiten verschiedene Arbeitsgruppen daran, die Zerfallszeit des freien Neutrons genauer zu messen. Dabei werden Neutronen in einer dreidimensionalen magnetischen Falle eingeschlossen. Die Wechselwirkung des Neutrons mit den Magnetkräften des Käfigs erfolgt über den schwachen magnetischen Dipol des Neutrons. Dies bedingt eine besonders ausgefeilte Gestaltung des Feldes im Käfig. Die Neutronen, die aus einem Forschungsreaktor in die Falle gelangen, werden von superflüssigem Helium in der Kammer abgebremst und eingefangen. Das aus dem Zerfall stammende hochenergetische Elektron dient als Nachweis in der Kammer. Es ionisiert auf seiner Flugbahn mehrere Heliumatome, die über Molekülprozesse (Excimere) ein messbares Lichtsignal aussenden.

siehe auch: Doppelter Betazerfall, Betastrahlung, Betaspektrum, ionisierende Strahlung, Feynman-Graph, Positronen-Emissions-Tomographie

Weblinks

Betazerfall im Feynman-Graphen

Teilchenphysik | Kernphysik

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