Was ist Beta-Strahlung – Definition

Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischer Geschwindigkeit. Diese Partikel werden als Beta-Partikel bezeichnet. Was ist die Beta-Strahlung. Strahlendosimetrie

Formen ionisierender Strahlung

Wechselwirkung von Strahlung mit Materie
Wechselwirkung von Strahlung mit Materie

Ionisierende Strahlung wird nach der Art der Teilchen oder elektromagnetischen Wellen kategorisiert, die den ionisierenden Effekt erzeugen. Diese Partikel / Wellen haben unterschiedliche Ionisationsmechanismen und können wie folgt eingeteilt werden:

  • Direkt ionisierend . Geladene Teilchen ( Atomkerne, Elektronen, Positronen, Protonen, Myonen usw. ) können Atome durch fundamentale Wechselwirkung durch die Coulomb-Kraft direkt ionisieren, wenn sie über ausreichende kinetische Energie verfügen. Diese Teilchen müssen sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, um die erforderliche kinetische Energie zu erreichen. Sogar Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind), die sekundäre (indirekte) Ionisierung ist jedoch viel bedeutender.
    • Alpha-Strahlung . Alphastrahlung besteht aus Alphapartikeln mit hoher Energie / Geschwindigkeit. Die Produktion von Alpha-Partikeln wird als Alpha-Zerfall bezeichnet. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und doppelt positiv geladen. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie bewegen sich nur wenige Zentimeter, geben aber auf ihren kurzen Wegen alle Energie ab.
    • Beta-Strahlung . Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischer Geschwindigkeit. Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen, aber dünnes Aluminiummetall kann sie aufhalten. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen.
  • Indirekt ionisierend . Indirekte ionisierende Strahlung ist elektrisch neutral und interagiert daher nicht stark mit Materie. Der Hauptteil der Ionisationseffekte ist auf sekundäre Ionisationen zurückzuführen.
    • Photonenstrahlung ( Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen). Photonenstrahlung besteht aus energiereichen Photonen . Diese Photonen sind Teilchen / Wellen (Welle-Teilchen-Dualität) ohne Ruhemasse oder elektrische Ladung. Sie können 10 Meter oder mehr in der Luft zurücklegen. Dies ist eine große Entfernung im Vergleich zu Alpha- oder Betateilchen. Gammastrahlen lagern jedoch weniger Energie auf ihren Wegen ab. Blei, Wasser und Beton stoppen die Gammastrahlung. Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren, wobei das relativ energetische Elektron erzeugt wird. Das Sekundärelektron wird weiterhin mehrere Ionisationsereignisse erzeugen , daher ist die sekundäre (indirekte) Ionisation viel bedeutender.
    • Neutronenstrahlung . Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen bei beliebigen Energien / Geschwindigkeiten. Neutronen können durch Kernspaltung oder durch den Zerfall einiger radioaktiver Atome freigesetzt werden. Neutronen haben keine elektrische Ladung und können keine direkte Ionisation verursachen. Neutronen ionisieren Materie nur indirekt . Wenn beispielsweise Neutronen auf die Wasserstoffkerne treffen, entsteht Protonenstrahlung (schnelle Protonen). Neutronen können von Teilchen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Energie bis zu Teilchen mit niedriger Geschwindigkeit und niedriger Energie (sogenannte thermische Neutronen) reichen. Neutronen können Hunderte von Fuß in der Luft ohne Interaktion reisen.

Beta-Strahlung

Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischen Geschwindigkeiten. Diese Partikel sind als Beta-Partikel bekannt. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Spaltfragmenten oder von bestimmten primordialen radioaktiven Kernen wie Kalium-40 emittiert werden . Die Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet . Es gibt zwei Formen des Beta-Zerfalls, den Elektronenzerfall (β− -Zerfall) und den Positronenzerfall (β + -Zerfall) . In einem Kernreaktortritt insbesondere beim β− -Zerfall auf, da das gemeinsame Merkmal der Spaltprodukte ein Überschuss an Neutronen ist ( 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 Elektronenantineutrino umgewandelt wird .

Beta-Zerfall
Beta-Zerfall des C-14-Kerns.

Eigenschaften der Beta-Strahlung

Die wichtigsten Merkmale der Betastrahlung sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

  • Beta-Teilchen  sind energetische Elektronen, sie sind relativ leicht und tragen eine einzige negative Ladung .
  • Ihre Masse entspricht der Masse der Orbitalelektronen, mit denen sie interagieren, und im Gegensatz zum Alpha-Teilchen kann ein viel größerer Teil seiner kinetischen Energie in einer einzigen Wechselwirkung verloren gehen.
  • Ihr Weg ist nicht so einfach. Die Beta-Partikel folgen einem sehr Zick-Zack-Pfad durch absorbierendes Material. Dieser resultierende Partikelweg ist länger als das lineare Eindringen (Bereich) in das Material.
  • Da Beta-Teilchen eine sehr geringe Masse haben, erreichen sie meist relativistische Energien.
  • Beta-Partikel unterscheiden sich von anderen stark geladenen Partikeln auch in dem Anteil an Energie, der durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess verloren geht . Daher sind für hochenergetische Beta-Strahlungsabschirmungen dichte Materialien ungeeignet.
  • Wenn sich das Beta-Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) im Material bewegt, erzeugt es eine Stoßwelle elektromagnetischer Strahlung, die als Cherenkov-Strahlung bekannt ist .
  • Die Beta-Emission hat das kontinuierliche Spektrum.
  • Ein 1 MeV Beta-Partikel kann sich in der Luft ungefähr 3,5 Meter weit bewegen.
  • Aufgrund des Vorhandenseins der Bremsstrahlung eignen sich   Materialien mit niedriger Atomzahl (Z) als Beta-Partikelschilde.

Abschirmung von Beta-Strahlung – Elektronen

Betastrahlung ionisiert Materie schwächer als Alphastrahlung . Andererseits sind die Bereiche der Beta-Partikel länger und hängen stark von der anfänglichen kinetischen Energie der Partikel ab. Einige haben genug Energie, um Bedenken hinsichtlich der externen Exposition zu haben. Ein 1 MeV Beta-Partikel kann sich in der Luft ungefähr 3,5 Meter weit bewegen. Solche Beta-Partikel können in den Körper eindringen und Dosis an inneren Strukturen in der Nähe der Oberfläche abgeben. Daher ist eine stärkere Abschirmung als bei Alphastrahlung erforderlich.

Materialien mit niedriger Ordnungszahl Z eignen sich als Beta-Partikelschilde. Bei Materialien mit hohem Z ist die Bremsstrahlung (Sekundärstrahlung – Röntgenstrahlen) verbunden. Diese Strahlung entsteht beim Verlangsamen von Beta-Partikeln, während sie sich in einem sehr dichten Medium fortbewegen. Schwere Kleidung, dicker Karton oder dünne Aluminiumplatte schützen vor Betastrahlung und verhindern die Erzeugung von Bremsstrahlung.

Siehe auch mehr Theorie: Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materie

Siehe auch Rechner: Beta-Aktivität zur Dosisleistung 

Abschirmung der Beta-Strahlung – Positronen

Die Coulomb-Kräfte , die den Hauptmechanismus des Energieverlusts für Elektronen darstellen, sind entweder für die positive oder negative Ladung auf dem Teilchen vorhanden und bilden den Hauptmechanismus des Energieverlusts auch für Positronen. Unabhängig davon, ob die Wechselwirkung eine abstoßende oder anziehende Kraft zwischen dem einfallenden Teilchen und dem Orbitalelektronen (oder Atomkern) beinhaltet, sind der Impuls und der Energietransfer für Teilchen gleicher Masse  ungefähr gleich . Daher interagieren Positronen ähnlich mit Materie,  wenn sie energetisch sind . Die Spur von Positronen im Material ähnelt der Spur von Elektronen. Sogar ihr spezifischer Energieverlust und ihre Reichweite sind bei gleichen Anfangsenergien ungefähr gleich.

Am Ende ihres Weges unterscheiden sich Positronen signifikant von Elektronen. Wenn ein Positron (Antimaterieteilchen) zur Ruhe kommt, interagiert es mit einem Elektron (Materieteilchen), was zur Vernichtung beider Teilchen und zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie führt (gemäß der Formel E = mc 2 ). in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV Gammastrahlen  (Photonen).

Daher muss jede Positronenabschirmung auch eine Gammastrahlenabschirmung enthalten. Um die Bremsstrahlung zu minimieren, ist ein mehrschichtiger Strahlungsschutz angebracht. Das Material für die erste Schicht muss die Anforderungen für eine negative Betastrahlungsabschirmung erfüllen . Die erste Schicht einer solchen Abschirmung kann beispielsweise eine dünne Aluminiumplatte sein (um Positronen abzuschirmen), während die zweite Schicht einer solchen Abschirmung ein dichtes Material wie Blei oder abgereichertes Uran sein kann.

Siehe auch: Abschirmung der Gammastrahlung

Alpha-Partikel - Wolkenkammer
Alpha-Teilchen und Elektronen (durch ein Magnetfeld abgelenkt) von einem Thoriumstab in einer Wolkenkammer.
Quelle: wikipedia.org
Bremsstrahlung vs. Ionisation
Bruchteil des Energieverlusts pro Strahlungslänge in Blei als
Funktion der Elektronen- oder Positronenenergie. Quelle: http://pdg.lbl.gov/
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.

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.

Abschirmung von Alpha und Beta Strahlung

Grundmaterialien für die Abschirmung von Beta-Partikeln.

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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: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.