Betastrahlung

Betastrahlung ist eine ionisierende Strahlung. In diesem Artikel erklären wir dir ganz genau was die Betastrahlung ist und geben dir praktische Beispiele mit an die Hand.

Die Betastrahlung gehört zum Teilgebiet der Kernphysik und wird im Fach Physik unterrichtet.

Was genau ist Betastrahlung?

Betastrahlung ist die ionisierende Strahlung, welche bei einem Betazerfall austritt. Beim Betazerfall handelt es sich um einen radioaktiven Zerfall, da dieser zufällig und ohne Einwirkung von außen geschieht. Da beim Betazerfall Teilchen und keine elektromagnetischen Wellen ausgesendet werden, gehört die Betastrahlung zu den Teilchenstrahlungen. Diese Teilchen nennt man auch Betateilchen. Ein Atomkern, welcher Betastrahlung aussendet nennt man Betastrahler. 

Beispiele für Betastrahler sind Iod-131 und Phosphor-32.

Einen radioaktive Atomkern nennt man Radionuklid. Um das zerfallenden Radionuklid, vom entstehenden Nuklid zu unterscheiden, spricht man von Mutter- und Tochternuklid. 

Man unterscheidet zwischen -Zerfall (Beta-Minus-Zerfall) und -Zerfall (Beta-Plus-Zerfall).

Und hier noch einmal die Definitionen kurz und knackig:

• Betastrahlung: Die ionisierende Strahlung (Energie) welche beim Betazerfall vom Atomkern ausgesendet wird.
• Betazerfall: Der Vorgang bei welchem Betastrahlung aus dem Atomkern austritt.
• Betastrahler: Das Radionuklid, welches Betastrahlung aussendet.
• Betateilchen: Bei einem Beta-Minus-Zerfall ist das Betateilchen ein Elektron und beim Beta-Plus-Zerfall ein Positron. 

Eigenschaften der Betastrahlung

Die kinetische Energie der Betastrahlung kann - anders als bei der Alphastrahlung (link)- jeden beliebigen Wert annehmen. Meistens liegt die maximale Energie im Bereich von hunderten Kiloelektronenvolt (KeV) bis wenigen Megaelektronenvolt (MeV). 

Da die freiwerdende Energie auf drei Teilchen verteilt wird und die genaue Verteilung nicht festgeschrieben ist, ist das Energiespektrum kontinuierlich. Dennoch erhalten beim Betazerfall das Betateilchen und das (Anti-)Neutrino die meiste Energie. Das relativ schwere Tochternuklid hingegen, erhält nur einen kleinen Anteil von wenigen Elektronenvolt.

Die Reichweiter der Betastrahlung ist abhängig von der Materie und der Energie der Betateilchen. 

Beispiel: Tritium, ein Isotop des Wasserstoffes, ist ein radioaktiver Betastrahler. Dieser zerfällt zu stabilem Helium. Dabei wird eine Energie von 19eV frei. Die Reichweite dieser Strahlung beträgt 8 cm in Luft. 

Der Betazerfall

Bei beiden Zerfallsvorgängen ändert sich die Kernladungszahl (die Anzahl der Protonen): Beim -Zerfall um +1 und beim -Zerfall um -1. Demnach gehört das Tochternuklid einem anderen Element an.

Tipp: Du möchtest wissen zu welchem Element das Tochternuklid gehört? Schaue im Periodensystem nach! Du findest es entweder gleich links (beim -Zerfall) oder rechts (-Zerfall) des Elementes des Mutternuklids.

Die Massenzahl, also die Gesamtanzahl der Protonen und Neutronen, ändert sich aber nicht. Wie kann das sein? Wenn sich die Ordnungszahl nicht ändert, die Kernladungszahl aber schon, muss zwangsweise ein Proton in ein Neutron umgewandelt werden - oder umgekehrt! Solche Atomkerne nennt man Isobare.

Mehr Details dazu findest du in den Abschnitten zum jeweiligen Zerfall. 

Da die Masse von Protonen und Neutronen sehr ähnlich ist und die Massenzahl gleich bleibt, ist das Tochternuklid fast genauso schwer wie das Mutternuklid. 

Beta-Minus-Zerfall

Abb. 1: Beim Beta-Minus-Zerfall verwandelt sich ein Neutron (n) in ein Proton (p) um. Dabei wird ein Elektron (e) und ein Elektron-Antineutrino (ve) freigesetzt.

(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Betastrahlung)

Bei einem -Zerfall wandelt sich der Atomkern in das Element mit der nächsthöheren Kernladungszahl um. Das heißt, die Kernladungszahl ändert sich um +1. Damit ein  -Zerfall stattfinden kann, muss das Atom überschüssige Neutronen besitzen. Denn bei einem  -Zerfall wird ein neutrales Neutron in ein positiv geladenes Protonen umgewandelt. Dabei entsteht laut der Ladungserhaltung ein negativ geladenes Elektron und ein Elektron-Antineutrino . Diese beiden Teilchen verlassen den Atomkern. Ein (Anti)neutrino ist ein neutralgeladenes Elementarteilchen mit sehr kleiner Masse.

Allgemein gilt:

Hierbei steht X für das Mutternuklid und Y für das Tochternuklid.

Ein klassisches Beispiel ist Gold . Gold wird beim β--Zerfall zu Quecksilber (Hg) umgewandelt.

Ein weiteres Beispiel ist, das in der Natur vorkommende Isotop, Blei-214 (Pb). Es kann durch einen -Zerfall in Wismut-214 (Bi) umgewandelt werden. Dieser Zerfall entsendet eine Energie von 1,019 MeV.

Beta-Plus-Zerfall

Abb. 2: Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich ein Proton (p) in ein Neutron (n) um. Dabei wird ein Positron (e+) und ein Elektron-Neutrino  (ve) freigesetzt. 

(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Betastrahlung)

Bei einem  -Zerfall wandelt sich der Atomkern in das Element mit der nächstniedrigeren Kernladungszahl um. Das heißt die Kernladungszahl ändert sich um -1. Dafür muss der Atomkern sehr protonenreich sein, denn ein Proton wird in ein Neutron umgewandelt. Dabei wird ein Positron  und ein Elektron-Neutrino  freigesetzt. Ein Positron ist das Antiteilchen zum Elektron. Es unterscheidet sich nur in der Ladung und dem magnetischen Moment von einem Elektron.

Allgemein gilt:

Als Beispiel dient das Isotop Kalium-40. Es zerfällt sehr langsam zu Argon.

Es gibt Radionuklide die sowohl  als auch  zerfallen können. Damit dies passiert, müssen die Isobare in beide Richtungen des Periodensystems leichter sein als das Mutternuklid. Ein Beispiel dafür ist Kalium-40. Kalium-40 kann sowohl zu Calcium-40, sowie zu Argon-40 zerfallen.

Wirkung der Betastrahlung auf die Umgebung

Betastrahlung kann oberflächig in Materie eindringen - wie tief, hängt von der Energie der Teilchen ab. Zwar kann Betastrahlung im Menschen nur die oberen Hautschichten durchdringen, dennoch kann es dort zu schlimmen Verbrennungen führen. Eine daraus resultierende Spätfolge ist Hautkrebs. Die Netzhaut der Augen ist besonders strahlenempfindlich. Trifft Betastrahlung auf die Augen, kann es zur Trübung der Linse kommen. Diese Krankheit wird im Sprachgebrauch auch als Grauer Star bezeichnet.  

Betastrahlung lässt sich durch einigen millimeterdicken Absorber abschirmen. Hierbei muss man aber beachten, dass ein Teil der Energie in Röntgen-Bremsstrahlung umgewandelt werden kann. Siehe dazu unseren Artikel zu ionisierender Strahlung (link). Um die Röntgen-Bremsstrahlung zu minimieren, benutzt man am Besten Material mit einer geringen Ordnungszahl. Also Material aus sehr leichten Atomen. Hier kommt zum Beispiel Aluminium in Frage.

Anwendungen der Betastrahlung

In der Medizin werden Betastrahler in der Radionuklidtherapie angewendet. Auch können Betastrahler in der Diagnostik als radioaktive Marker eingesetzt werden. 

Betastrahlung kann auch für die Sterilisation von Materialine oder Gegenständen genutzt werden. 

Betastrahlung – das Wichtigste auf einen Blick!