Betastrahlung

Radioaktive Substanzen und die davon ausgehende Strahlung werden häufig mit Gefahren verbunden. Wusstest Du aber auch, dass sie zur Bekämpfung derselben Krankheit eingesetzt werden, die sie verursachen? Eine der drei bekannten Strahlungsarten ist die sogenannte Betastrahlung. Doch was genau ist Betastrahlung, welche Arten gibt es und welche Eigenschaften hat sie?

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Inhaltsangabe

    Betastrahlung – Beta-Zerfall

    Radioaktiver Zerfall kommt besonders häufig bei instabilen Isotopen eines Elements vor. Elemente sind durch ihre Anzahl an Protonen im Kern definiert, während ihre Neutronenzahl variieren kann. Atome mit selber Protonen-, aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennst Du Isotope.

    Mehr zu den Isotopen findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

    Verschiedene Isotope sind energetisch unterschiedlich stabil und können deshalb radioaktive Zerfallsprozesse durchlaufen, um in einen energetisch günstigeren Zustand zu gelangen. Ein solcher Zerfallsprozess ist der Beta-Zerfall.

    Beim Beta-Zerfall geht ein Isotop durch Umwandlungen eines Neutrons in ein Proton (oder umgekehrt) in einen günstigeren Energiezustand über, wobei Strahlung frei wird.

    Alles Wichtige zum Beta-Zerfall kannst Du in der Erklärung alpha- und beta-Zerfall nachlesen.

    Du unterscheidest zwei Arten von Beta-Zerfall: den Beta-Plus-Zerfall und den Beta-Minus-Zerfall, wobei jeweils Betastrahlung frei wird.

    Betastrahlung einfach erklärt

    Allgemein handelt es sich bei der Betastrahlung um durch radioaktiven Zerfall frei werdende ionisierende Strahlung. Diese ist in der Lage, Elektronen aus anderen Atomen oder Molekülen zu lösen. Die drei verschiedenen Strahlungsarten sind nach den jeweiligen Zerfallsprozessen benannt, in denen sie entstehen.

    Als Betastrahlung bezeichnest Du die Art von ionisierender Teilchenstrahlung, die beim radioaktiven Beta-Zerfall von Atomkernen entsteht. Ein radioaktives Isotop, welches Betastrahlung aussendet, wird auch als Betastrahler bezeichnet.

    Im Alltag wird solche ionisierende Strahlung, wie Betastrahlung, manchmal als radioaktive Strahlung bezeichnet. Allerdings ist nicht die Strahlung an sich radioaktiv, sondern nur das Atom, welches diese aussendet. Alles zum Thema ionisierende Strahlung findest Du übrigens in der gleichnamigen Erklärung.

    Genau wie Alphastrahlung, so besteht die Betastrahlung aus hochenergetischen Teilchen, die Du auch als Betateilchen bezeichnest. Dagegen handelt es sich bei der Gammastrahlung um elektromagnetische Wellen. Mehr dazu erfährst Du in der Erklärung zur Gammastrahlung.

    Dabei ist wichtig zu unterscheiden, dass Betastrahlung und Beta-Zerfall nicht identisch sind: Beta-Zerfall ist ein Prozess, den ein Atom unter bestimmten Voraussetzungen durchlaufen kann. Betastrahlung ist das Produkt, das dabei entsteht. Genau wie es auch zwei unterschiedliche Beta-Zerfälle gibt, so gibt es auch zwei unterschiedliche Arten von Betastrahlung mit jeweils einer zugehörigen Zerfallsgleichung.

    Beta-Minus-Strahlung

    Beta-Minus-Strahlung entsteht beim radioaktiven Zerfall von Isotopen mit hoher Neutronenzahl im Vergleich zu der Anzahl der Protonen im Kern. Du sprichst von einem relativen Neutronenüberschuss. Diese Isotope können in einen energetisch günstigeren Zustand übergehen, indem sie ein Neutron in ein Proton umwandeln.

    Als Beta-Minus-Strahlung (\(\beta^-\)- Strahlung) bezeichnest Du die ionisierende Strahlung, die im Prozess des Beta-Minus-Zerfalls entsteht. Sie besteht aus einem Elektron \( e^-\) und einem Elektron-Antineutrino \(\overline \nu_{e}\). Die zugehörige Zerfallsgleichung lautet:

    \(\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z+1}Y + e^- + \overline{\nu_{e}}}\)

    Durch die Umwandlung eines Neutrons \(n\) in ein Proton \(p\) beim \(\beta^-\)- Zerfall, bleibt die Massenzahl \(A\) des Isotops \(\ce{^{A}_{Z}X}\) erhalten, während sich die Kernladungszahl \(Z\) um 1 erhöht wird. Dadurch entsteht ein neues Element \(\ce{^{A}_{Z+1}Y}\).

    Eine ausführliche Beschreibung und konkrete Beispiele zur Zerfallsgleichung findest Du in der Erklärung zum alpha- und beta-Zerfall.

    Das Elektron-Antineutrino ist der Antimaterie-Partner zum Elektron-Neutrino, das zusammen mit dem Elektron die erste Generation der Teilchenklasse Leptonen bildet. Mehr zu den Leptonen findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

    Das frei Werden der Beta-Minus-Strahlung siehst Du in der folgenden Abbildung auf atomarer Ebene veranschaulicht.

    Das "Minus" im Namen der Strahlung stammt von der negativen elektrischen Ladung des emittierten Elektrons.

    Das Gegenstück zur Beta-Minus-Strahlung ist die Beta-Plus-Strahlung.

    Beta-Plus-Strahlung

    Die Beta-Plus-Strahlung trägt ihren Namen aufgrund der positiven Ladung des Positrons, welches bei dieser Zerfallsart statt des Elektrons emittiert wird. Das Positron ist der Antimaterie-Partner zum Elektron. Es besitzt also dieselbe Masse, aber eine gegensätzliche elektrische Ladung. Zusätzlich wird ein Elektron-Neutrino frei.

    Als Beta-Plus-Strahlung (\(\beta^+\)- Strahlung) bezeichnest Du die ionisierende Strahlung, die im Prozess des Beta-Plus-Zerfalls entsteht. Sie besteht aus einem Positron \( e^+\) und einem Elektron-Neutrino \(\nu_{e} \). Die zugehörige Zerfallsgleichung lautet:

    \(\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z-1}Y + e^+ + \nu_{e}}\)

    Durch die Umwandlung eines Protons \(p\) in ein Neutron \(n\) beim \(\beta^+\)- Zerfall bleibt die Massenzahl A des Isotops \(\ce{^{A}_{Z}X}\) erhalten, während sich die Kernladungszahl Z um 1 verringert. Dadurch entsteht ein neues Element \(\ce{^{A}_{Z-1}Y}\) .

    Diese Art der Strahlung entsteht vor allem in Isotopen mit hoher Protonenzahl im Vergleich zu der Anzahl der Neutronen (relativer Protonenüberschuss). Das Atom gelangt in einen günstigeren Energiezustand durch Umwandlung eines Protons in ein Neutron. Auf atomarer Ebene kannst Du Dir das etwa folgendermaßen vorstellen:

    Betastrahlung besitzt spezifische Eigenschaften, in denen sie sich auch von den anderen Strahlungsarten unterscheidet.

    Betastrahlung – Eigenschaften

    Während des Beta-Zerfalls wird Energie frei. Wie groß die Energie der emittierten Betastrahlung ist, hängt stark von dem jeweiligen Isotop ab, welches den Beta-Zerfall durchläuft. Die folgende Tabelle zeigt Dir die verschiedenen maximalen Energien, die die emittierte Strahlung beim Zerfall des jeweiligen Isotops hat.

    Isotop Symbol-schreibweiseZerfallsartmax. Energie in keV
    Tritium\(^3{H}\)\(\beta^-\)18,59
    Schwefel\(^{35}{S}\)\(\beta^+\)167
    Calcium\(^{45}{Ca}\)\(\beta^+\)257
    Kohlenstoff\(^{11}{C}\)\(\beta^+\)960,4
    Bismuth\(^{210}{Bi}\)\(\beta^-\)1162,2

    Die Tabelle zeigt Dir die maximale Energie der Betastrahlung. In der Realität variiert diese Energie sehr stark, im Durchschnitt besitzen die meisten Betateilchen etwa ein Drittel der maximal möglichen Energie.

    Betastrahlung Geschwindigkeit

    Ein großer Teil der Energie der Betastrahlung steckt in der kinetischen Energie (Bewegungsenergie) der Betateilchen. Entsprechend kann auch ihre Geschwindigkeit sehr stark variieren.

    Da das Elektron (und Positron) eine sehr viel kleinere Masse als, zum Beispiel, das Alphateilchen haben, können sie bei der Emission stark beschleunigt werden. Ihre Geschwindigkeit kann sogar Werte nahe der Lichtgeschwindigkeit annehmen. Dasselbe gilt für das nahezu masselose Neutrino (und Antineutrino).

    Betastrahlung ist damit meistens schneller als Alphastrahlung, jedoch langsamer als Gammastrahlung.

    Betastrahlung Reichweite Abschirmung

    Auch die Reichweite von Betastrahlung ist größer als die des Alphateilchens. Alphastrahlung ist allerdings stärker ionisierend, da die Alphateilchen viel größer als die Betateilchen sind und deshalb öfter mit den Teilchen in der Materie zusammenstoßen.

    Durchquert ionisierende Strahlung ein Medium, zum Beispiel Luft, stößt sie mit den darin enthaltenen Teilchen zusammen und gibt ihre Energie (zum Teil) an diese ab. Die Teilchen im Medium werden ionisiert, während die Betateilchen verlangsamt oder vollständig abgebremst werden.

    Als Reichweite bezeichnest Du die Entfernung, die Teilchenstrahlung zurücklegt, bis sie ihre kinetische Energie vollständig (durch Ionisation) abgegeben hat. Die Reichweite ist abhängig von der Art der Teilchen, ihrer ursprünglichen Energie und dem umgebenden Medium.

    Manche Materialien eignen sich daher besser zur Abschirmung von Betastrahlung als andere, da die Betateilchen in ihnen weniger weit kommen, bis sie ihre gesamte Energie aufgebraucht haben. Wie weit Betastrahlung mit einer gewissen Energie in verschiedenen Medien kommt, siehst Du in der folgenden Tabelle:

    Energie in keVReichweite in LuftReichweite in GewebeReichweite in Aluminium
    103 mm0,0025 mm0,009 mm
    1000,1 m0,16 mm0,05 mm
    5001,2 m1,87 mm0,6 mm
    10003,06 m4,75 mm1,52 mm
    20007,10 m11,1 mm4,08 mm

    Entsprechend reicht meistens schon eine dünne Aluminiumschicht, um sogar hochenergetische Betastrahlung abzuschirmen.

    Betastrahlung – Strahlenwirkung

    Wie Du in der Tabelle aus dem vorigen Abschnitt sehen kannst, kann energetische Betastrahlung einige Millimeter tief ins Gewebe eines Organismus eindringen. Damit kann sie die oberen Hautschichten schädigen und zu Verbrennungen führen. Bei höherer Strahlendosis können energiereiche Betateilchen die DNA in den Zellkernen schädigen und langfristig zu Hautkrebs führen. Sind die Augen für längere Zeit intensiver Betastrahlung ausgesetzt, kann dies zu einem Verlust der Sehfähigkeit führen.

    Noch kritischer ist es, wenn Betastrahlung, zum Beispiel über die Nahrung, in den Körper gelangt. Dort kann sie ebenfalls die Zellen verschiedener Organe schädigen. Zum Beispiel kann sich radioaktives Jod-130 in der Schilddrüse ansammeln oder Strontium-90 in den Knochen. Die Folge können Schilddrüsenkrebs und Leukämie sein.

    Mehr zu dem Thema findest Du in der Erklärung zur biologischen Strahlenwirkung.

    Paradoxerweise kann die schädigende Wirkung von Betastrahlung auch zur Tumorbekämpfung genutzt werden. In der sogenannten Strahlentherapie werden Betateilchen, zusammen mit anderer ionisierender Strahlung, gezielt auf das Krebsgewebe gefeuert. Dadurch werden die Krebszellen zerstört. Wichtig bei dieser Therapie ist, dass kein gesundes Gewebe mit der Strahlung in Berührung kommt.

    Betastrahlung – Das Wichtigste

    • Beim Beta-Zerfall geht ein Isotop durch Umwandlungen eines Neutrons in ein Proton (oder umgekehrt) in einen günstigeren Energiezustand über, wobei Strahlung frei wird.
    • Als Betastrahlung bezeichnest Du die Art von ionisierender Teilchenstrahlung, die beim radioaktiven Beta-Zerfall von Atomkernen entsteht. Du unterscheidest Beta-Plus-Strahlung und Beta-Minus-Strahlung.
    • Ein radioaktives Isotop, welches Betastrahlung aussendet, wird auch als Betastrahler bezeichnet.
    • Als Beta-Minus-Strahlung (\(\beta^-\)- Strahlung) bezeichnest Du die ionisierende Strahlung, die im Prozess des Beta-Minus-Zerfalls entsteht. Sie besteht aus einem Elektron \( e^-\) und einem Elektron-Antineutrino \(\overline \nu_{e}\).
    • Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Die zugehörige Zerfallsgleichung lautet

    \(\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z+1}Y + e^- + \overline{\nu_{e}}}\)

    • Als Beta-Plus-Strahlung (\(\beta^+\)- Strahlung) bezeichnest Du die ionisierende Strahlung, die im Prozess des Beta-Plus-Zerfalls entsteht. Sie besteht aus einem Positron \( e^+\) und einem Elektron-Neutrino \(\nu_{e}\).
    • Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton zu einem Neutron. Die zugehörige Zerfallsgleichung lautet:

    \(\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z-1}Y + e^+ + \nu_{e}}\)

    • Die Eigenschaften von Betastrahlung, wie ihre Geschwindigkeit und Reichweite, hängen vor allem von der (kinetischen) Energie der Betateilchen ab. Diese Energie unterscheidet sich beim Zerfall verschiedener Isotope.
    • Als Reichweite bezeichnest Du die Entfernung, die Teilchenstrahlung zurücklegt, bis sie ihre kinetische Energie vollständig (durch Ionisation) abgegeben hat. Die Reichweite ist abhängig von der Art der Teilchen, ihrer ursprünglichen Energie und dem umgebenden Medium.
    • Betastrahlung kann bereits durch eine dünne Aluminiumschicht abgeschirmt werden.
    • Hochenergetische Betastrahlung kann die DNA in Zellkernen schädigen und so zu Tumoren führen.
    • Betastrahlung wird auch in der Strahlentherapie eingesetzt, um Krebszellen zu zerstören.

    Nachweise

    1. ehs.stanford.edu: Radioactivity. (04.09.2022)
    2. spektrum.de: Betastrahlung. (04.09.2022)
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Betastrahlung

    Was passiert bei Beta-Plus-Zerfall?

    Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich ein Proton im Atomkern in ein Neutron um und sendet dabei Betastrahlung in Form eines Positrons und Elektron-Neutrinos aus. 

    Was passiert bei der Betastrahlung?

    Betastrahlung wird frei, wenn ein Atomkern durch Beta-Zerfall in einen günstigeren Energiezustand übergeht. Du unterscheidest dabei zwischen Beta-Plus-Strahlung und Beta-Minus-Strahlung. 

    Wo gibt es Betastrahlung?

    Betastrahlung entsteht immer dann, wenn ein radioaktives Isotop einen Beta-Zerfall durchläuft. Es gibt viele verschiedene Isotope, die Betastrahlung aussenden, dazu gehören beispielsweise Tritium oder Bismuth-Isotope. 

    Wie gefährlich ist Betastrahlung?

    Wie gefährlich Betastrahlung ist, hängt von der Strahlendosis, sowie der Energie der Betateilchen ab. Hochenergetische Betastrahlung kann die oberen Hautschichten durchdringen und für Verbrennungen oder, im schlimmsten Fall, Hautkrebs sorgen. 

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