Was ist Beta-Zerfall – Beta-Radioaktivität – Definition

Der Betazerfall oder der Betazerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Betateilchens. Der Beta-Zerfall wird durch die schwache Wechselwirkung bestimmt. Strahlendosimetrie

Beta – Zerfall oder β Zerfall stellt die Desintegration eines Mutterkerns mit einer Tochter durch die Emission des Betateilchen. Dieser Übergang ( β  Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Beta-Zerfall - Beta-Radioaktivität - Definition

Wenn ein Kern ein Beta-Teilchen emittiert, verliert er ein Elektron (oder Positron). In diesem Fall bleibt die Massenzahl des Tochterkerns gleich, der Tochterkern bildet jedoch ein anderes Element.

Beta-Teilchen sind energiereiche, schnelle Elektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Penetrationsbereich als Alpha-Partikel, sind aber immer noch viel kleiner als Gammastrahlen . Die emittierten Betateilchen sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Betastrahlen bezeichnet wird. Es gibt folgende Formen des Beta-Zerfalls:

  • Negativer Beta-Zerfall – Elektronenzerfall. In Elektronen Zerfalls emittiert eine neutronenreichen Kern ein hochenergetischer Elektronen (β  Teilchen). Die Elektronen sind negativ geladene, fast masselose Teilchen. Aufgrund des Gesetzes zur Erhaltung der elektrischen Ladung muss sich die Kernladung um eine Einheit erhöhen. In diesem Fall kann der Prozess dargestellt werden durch: 
  • Positiver Beta-Zerfall – Positronenzerfall. Beim Zerfall von Positronen emittiert ein protonenreicher Kern ein Positron (Positronen sind Antiteilchen von Elektronen und haben die gleiche Masse wie Elektronen, jedoch eine positive elektrische Ladung) und reduziert dadurch die Kernladung um eine Einheit. In diesem Fall kann der Prozess folgendermaßen dargestellt werden: Eine Vernichtung tritt auf, wenn ein Positron mit niedriger Energie mit einem Elektron mit niedriger Energie kollidiert.
  • Inverser Beta-Zerfall – Elektroneneinfang . Das Einfangen von Elektronen , auch als inverser Beta-Zerfall bekannt, wird manchmal als eine Art Beta-Zerfall bezeichnet, da der grundlegende nukleare Prozess, der durch die schwache Wechselwirkung vermittelt wird, der gleiche ist. Dabei kann ein protonenreicher Kern auch seine Kernladung um eine Einheit reduzieren, indem er ein Atomelektronen absorbiert. 

Die Emission von Elektronen war eines der frühesten beobachteten Zerfallsphänomene. Der inverse Prozess, das Einfangen von Elektronen , wurde zum ersten Mal von Luis Alvarez in Vanadium 48 beobachtet. Er berichtete dies in einer Veröffentlichung von 1937 in Physical Review.

Zerfall von Uran 238.
Die Zerfallskette von Uran 238 umfasst Alpha- und Betazerfälle.

In einem Kernreaktor tritt insbesondere der β− -Zerfall auf, weil die Spaltungsprodukte einen Überschuss an Neutronen aufweisen (siehe Kernstabilität ). Ein instabiles Spaltfragment mit einem Überschuss an Neutronen unterliegt einem β− -Zerfall, bei dem das Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino umgewandelt wird . Ein freies Neutron unterliegt ebenfalls dieser Art von Zerfall. Ein freies Neutron zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 611 Sekunden (10,3 Minuten) in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (das Antimaterie- Gegenstück des Neutrinos , ein Teilchen ohne Ladung und ohne oder mit geringer Masse).

Theorie des Beta-Zerfalls – Schwache Interaktion

Der Beta-Zerfall wird durch die schwache Wechselwirkung bestimmt . Während der Beta – Zerfall eines von zwei nach unten Quark Veränderungen in einen up Quark durch einen W Emittieren  Bosonen (wegträgt , eine negative Ladung). Das W  Boson zerfällt dann in ein Beta – Teilchen und ein Antineutrino . Dieser Prozess entspricht dem Prozess, bei dem ein Neutrino mit einem Neutron interagiert.

Theorie des Beta-Zerfalls - schwache Wechselwirkung

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ändert die schwache Wechselwirkung einen Quarkgeschmack in einen anderen. Beachten Sie, dass das Standardmodell sechs Geschmacksrichtungen von Quarks und sechs Geschmacksrichtungen von Leptonen zählt. Die schwache Wechselwirkung ist der einzige Prozess, bei dem ein Quark zu einem anderen Quark oder ein Lepton zu einem anderen Lepton wechseln kann (Geschmacksänderung). Weder die starke Wechselwirkung noch elektromagnetischGeschmacksänderung zulassen. Diese Tatsache ist bei vielen Zerfällen von Kernteilchen von entscheidender Bedeutung. Bei dem Fusionsprozess, der beispielsweise die Sonne antreibt, interagieren zwei Protonen über die schwache Kraft zu einem Deuteriumkern, der weiter reagiert und Helium erzeugt. Ohne die schwache Wechselwirkung würde das Diproton durch Protonenemission in zwei ungebundene Wasserstoff-1-Protonen zurückfallen. Infolgedessen würde die Sonne ohne sie nicht brennen, da die schwache Wechselwirkung die Transmutation p -> n verursacht.

Im Gegensatz zum Alpha-Zerfall existieren weder das Beta-Teilchen noch das zugehörige Neutrino vor dem Beta-Zerfall im Kern, sondern entstehen beim Zerfall. Durch diesen Prozess erhalten instabile Atome ein stabileres Verhältnis von Protonen zu Neutronen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Nuklid aufgrund von Beta und anderen Formen des Zerfalls zerfällt, wird durch seine Kernbindungsenergie bestimmt. Damit eine Elektronen- oder Positronenemission energetisch möglich ist, muss die Energiefreisetzung (siehe unten) oder der Q-Wert positiv sein.

Beispiel für Beta-Zerfall

  • Freies Neutron
  • Entdeckung von Neutrino
  • Beta-Zerfall von Tritium

Energiespektrum des Beta-Zerfalls

Sowohl beim  Alpha-  als auch beim  Gamma-Zerfall weist das resultierende Teilchen ( Alpha-Teilchen  oder  Photon ) eine  enge Energieverteilung auf , da das Teilchen die Energie aus der Differenz zwischen dem Anfangs- und dem Endkernzustand trägt. Wenn beispielsweise im Fall eines Alpha-Zerfalls ein Elternkern spontan zerfällt und einen Tochterkern und ein Alpha-Teilchen ergibt, entspricht die Summe der Masse der beiden Produkte nicht ganz der Masse des ursprünglichen Kerns (siehe  Massendefekt ). . Aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes tritt dieser Unterschied in Form der  kinetischen Energie des Alpha-Teilchens auf. Da bei jedem Abbau eines bestimmten Elternkerns dieselben Partikel als Produkte auftreten, sollte die Massendifferenz  immer gleich sein , und die kinetische Energie  der Alpha-Partikel sollte auch immer gleich sein. Mit anderen Worten, der Strahl von Alpha-Partikeln sollte  monoenergetisch sein . 

Es wurde erwartet, dass die gleichen Überlegungen für einen Elternkern gelten würden, der in einen Tochterkern und  ein Beta-Teilchen zerfällt . Da nur das Elektron und der rückprallende Tochterkern Beta-Zerfall beobachtet wurden, wurde zunächst angenommen, dass der Prozess  ein Zweikörperprozess ist , der dem Alpha-Zerfall sehr ähnlich ist. Es erscheint vernünftig anzunehmen, dass die Beta-Partikel auch einen  monoenergetischen Strahl bilden würden .

Um zu demonstrieren , Energetik von Zwei-Körper – Beta – Zerfall, betrachten den Beta – Zerfall , in der ein Elektron emittiert wird , und der Mutterkern im Ruhezustand ist ,  onservation Energie  erfordert:

Energieerhaltung-Beta-Zerfall

Da das Elektron ein viel leichteres Teilchen ist, wurde erwartet, dass es den größten Teil der freigesetzten Energie abführt , die einen einzigartigen Wert  e- haben würde .

Energiespektrum des Beta-Zerfalls
Die Form dieser Energiekurve hängt davon ab, welcher Anteil der Reaktionsenergie (Q-Wert – die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge) vom Elektron oder Neutrino getragen wird.

Aber die Realität sah anders aus . Das von Lise Meitner und Otto Hahn 1911 und von Jean Danysz 1913 gemessene Spektrum von Beta-Partikeln zeigte jedoch mehrere Linien auf einem diffusen Hintergrund. Darüber hinaus haben praktisch alle emittierten Beta-Partikel Energien, die unter denen liegen, die durch Energieeinsparung bei Zweikörperzerfällen vorhergesagt werden. Die beim Beta-Zerfall emittierten Elektronen  haben  eher ein kontinuierliches als ein diskretes Spektrum , was der Energieerhaltung zu widersprechen scheint, unter der damals aktuellen Annahme, dass der Beta-Zerfall die einfache Emission eines Elektrons aus einem Kern ist. Als dies zum ersten Mal beobachtet wurde,  schien es das Überleben eines der wichtigsten Naturschutzgesetze in der Physik zu gefährden !

Um diese Energiefreisetzung zu erklären,  schlug Pauli  (1931) vor, dass beim Zerfall ein weiteres Teilchen emittiert wurde  , das später von Fermi als  Neutrino bezeichnet wurde . Es war klar, dass dieses Teilchen stark durchdringen muss und dass die Erhaltung der elektrischen Ladung erfordert, dass das Neutrino elektrisch neutral ist. Dies würde erklären, warum es so schwierig war, dieses Teilchen zu erkennen. Der Begriff Neutrino kommt aus dem Italienischen und bedeutet „kleines neutrales“. Neutrinos werden mit dem griechischen Buchstaben  ν (nu) bezeichnet . Während des Beta-Zerfalls trägt das Neutrino die fehlende Energie und auch in diesem Prozess bleibt das Gesetz  der Energieerhaltung gültig .

Naturschutzgesetze im Beta-Zerfall

Bei der Analyse von Kernreaktionen wenden wir die vielen Erhaltungsgesetze an . Kernreaktionen unterliegen den klassischen Erhaltungsgesetzen für Ladung, Impuls, Drehimpuls und Energie  (einschließlich Ruheenergien). Zusätzliche Erhaltungsgesetze, die von der klassischen Physik nicht erwartet werden, sind:

Bestimmte dieser Gesetze werden unter allen Umständen eingehalten, andere nicht. Wir haben die Erhaltung von Energie und Dynamik akzeptiert. In allen Beispielen nehmen wir an, dass die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen getrennt erhalten bleiben. Wir werden Umstände und Bedingungen finden, unter denen diese Regel nicht wahr ist. Wenn wir nicht-relativistische Kernreaktionen betrachten, ist dies im Wesentlichen wahr. Wenn wir jedoch relativistische Kernenergien oder solche mit schwachen Wechselwirkungen betrachten, werden wir feststellen, dass diese Prinzipien erweitert werden müssen.

Einige Erhaltungsprinzipien sind aus theoretischen Überlegungen hervorgegangen, andere sind nur empirische Beziehungen. Ungeachtet dessen wird jede Reaktion, die nicht ausdrücklich durch die Erhaltungsgesetze verboten ist, im Allgemeinen auftreten, wenn auch nur langsam. Diese Erwartung basiert auf der Quantenmechanik. Sofern die Barriere zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand nicht unendlich hoch ist, besteht immer eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass ein System den Übergang zwischen ihnen vollzieht.

Zur Analyse nicht-relativistischer Reaktionen genügt es, vier der Grundgesetze zu beachten, die diese Reaktionen regeln.

  1. Erhaltung der Nukleonen . Die Gesamtzahl der Nukleonen vor und nach einer Reaktion ist gleich.
  2. Ladungserhaltung . Die Summe der Ladungen aller Partikel vor und nach einer Reaktion ist gleich
  3. Impulserhaltung . Der Gesamtimpuls der wechselwirkenden Teilchen vor und nach einer Reaktion ist der gleiche.
  4. Energieeinsparung . Energie, einschließlich Ruhemassenenergie, bleibt bei Kernreaktionen erhalten.

Referenz: Lamarsh, John R. Einführung in die Nukleartechnik 2. Auflage

Beta-Zerfall – Q-Wert

In der Kern- und Teilchenphysik wird die Energetik von Kernreaktionen durch den Q-Wert dieser Reaktion bestimmt. Der Q-Wert der Reaktion wird als die definierte Differenz zwischen der Summe der übrigen Masse der anfänglichen Reaktanten und der Summe der Massen der Endprodukte , in Energieeinheiten ( in der Regel in MeV).

Stellen Sie sich eine typische Reaktion vor, bei der das Projektil a und das Ziel A zwei Produkten Platz machen, B und b. Dies kann auch in der bisher verwendeten Notation a + A → B + b oder sogar in einer kompakteren Notation A (a, b) B ausgedrückt werden .

Siehe auch: E = mc2

Der Q-Wert dieser Reaktion ist gegeben durch:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c 2

Bei der Beschreibung des Beta-Zerfalls (Reaktion ohne Projektil) wird der zerfallende Kern üblicherweise als Elternkern und der nach dem Ereignis verbleibende Kern als Tochterkern bezeichnet. Die Emission eines Beta-Teilchens, entweder eines Elektrons β  oder eines Positrons β + , ändert die Ordnungszahl des Kerns, ohne dessen Massenzahl zu beeinflussen. Die gesamte Ruhemasse des Tochterkerns und der bei einem Beta-Zerfall freigesetzten Kernstrahlung, m Tochter + m Strahlung , ist immer geringer als die des Elternkerns, m Eltern .

Der Masse-Energie-Unterschied,

Q = [m Elternteil – (m Tochter + m Strahlung )] c 2

erscheint als die Zerfallsenergie, die dabei freigesetzt wird. Zum Beispiel ist der Q-Wert eines typischen Beta-Zerfalls:

Beta-Zerfall - q-Wert

Beim Beta-Zerfall wird entweder ein Elektron oder ein Positron emittiert. Diese Emission geht mit der Emission von Antineutrino (β-Zerfall) oder Neutrino (β + Zerfall) einher , die Energie und Impuls des Zerfalls teilen. Die Beta-Emission hat ein charakteristisches Spektrum. Dieses charakteristische Spektrum wird durch die Tatsache verursacht, dass entweder ein Neutrino oder ein Antineutrino unter Emission von Beta-Partikeln emittiert wird. Die Form dieser Energiekurve hängt davon ab, welcher Anteil der Reaktionsenergie ( Q-Wert – die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge) vom massiven Teilchen getragen wird. Beta-Partikel können daher mit jeder kinetischen Energie im Bereich von 0 bis Q emittiert werden. Nach einem Alpha- oder Beta-Zerfall befindet sich der Tochterkern häufig in einem angeregten Energiezustand. Um sich zu stabilisieren, emittiert es anschließend hochenergetische Photonen, γ-Strahlen.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.net oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.