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β-Strahlung

Der Kern verliert kein einziges Nukleon und wird trotzdem ein anderes Element. Möglich macht das die Umwandlung von Neutron und Proton ineinander.

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Erklärung — Ein Nukleon wandelt sich um

Zwei Rätsel um ein Elektron

Im Atomkern sitzen nur Protonen und Neutronen. Trotzdem schießen manche Kerne Elektronen heraus — und werden dabei ein anderes Element.

Rätsel 1 · Woher kommt das Elektron?Ein Kern enthält kein einziges Elektron. Aus der Hülle stammt es nicht — es kommt nachweislich aus dem Kern selbst.
Rätsel 2 · Neues Element, nichts verlorenBeim α-Zerfall wirft der Kern vier Nukleonen ab. Beim β-Zerfall verliert er kein einziges — und wird trotzdem ein anderes Element.

Beide Rätsel haben dieselbe Antwort: Im Kern wird ein Nukleon umgebaut.

  • Umbau:Ein Neutron wird zum Proton — oder umgekehrt.
  • Neu:Dabei entsteht ein leichtes Teilchen.
  • Strahlung:Dieses Teilchen verlässt den Kern als β-Strahlung.

Ein Nukleon wandelt sich um

Beim β-Zerfall sendet ein instabiler Kern ein Elektron (β−) oder ein Positron (β+) aus.

β-Zerfall in drei Sätzen
Ein Nukleon wird umgebaut — A bleibt, Z springt um 1.
Umwandlung

Neutron → Proton + Elektron (β−) oder Proton → Neutron + Positron (β+).

A bleibt gleich

Das leichte Teilchen fliegt weg, das neue Nukleon bleibt im Kern.

Z springt um 1

Z + 1 bei β−, Z − 1 bei β+ — ein neues Element entsteht.

Auf einen Blick: was im Kern passiert

β−-Zerfall Z + 1 n p + − wandelt sich um bleibt im Kern Elektron fliegt weg β+-Zerfall Z − 1 p n + + wandelt sich um bleibt im Kern Positron fliegt weg A bleibt gleich — nur ein Nukleon wird umgebaut
β−-Zerfall
\( {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \;\rightarrow\; {}^{\;\;\,A}_{Z+1}\mathrm{Y} \;+\; {}^{\;\;0}_{-1}\mathrm{e} \)
Beispiel

\( {}^{90}_{38}\mathrm{Sr} \rightarrow {}^{90}_{39}\mathrm{Y} + {}^{\;\;0}_{-1}\mathrm{e} \)

Probe

90 = 90 + 0  ·  38 = 39 + (−1)

β+-Zerfall
\( {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \;\rightarrow\; {}^{\;\;\,A}_{Z-1}\mathrm{Y} \;+\; {}^{\;\;0}_{+1}\mathrm{e} \)
Beispiel

\( {}^{22}_{11}\mathrm{Na} \rightarrow {}^{22}_{10}\mathrm{Ne} + {}^{\;\;0}_{+1}\mathrm{e} \)

Probe

22 = 22 + 0  ·  11 = 10 + 1

  • Kein Nukleon:Das β-Teilchen bekommt A = 0.
  • Ladung:Es trägt Z = −1 (Elektron) bzw. Z = +1 (Positron).
  • Probe:Die Summen von A und Z stimmen links und rechts überein.

Unterwegs: leicht, schnell, geladen

Reichweite & AbschirmungEin β-Teilchen ist rund 7200-mal leichter als ein α-Teilchen und kommt in Luft 1 bis 50 m weit. Papier reicht nicht mehr — erst ein dickes Buch oder eine dünne Bleiplatte stoppt es. Es durchdringt die Haut: mittel gefährlich, bei Hautkontakt schwere Verbrennungen.
Im elektrischen und magnetischen FeldWeil β-Teilchen geladen und extrem leicht sind, werden sie stark abgelenkt — viel stärker als α. Elektron und Positron weichen in entgegengesetzte Richtungen aus. Daran erkennt man im Versuch, welche Strahlung eine Probe aussendet.
Steckbrief β-Strahlung
Eigenschaftβ−β+
Im KernNeutron → Proton + ElektronProton → Neutron + Positron
Ausgesendet wirdElektron (−)Positron (+)
Kernladungszahl Z+1−1
Nukleonenzahl Ableibt gleich
Masse des Teilchenswie ein Elektron (≈ 1/7200 α-Teilchen)
Ablenkung im Feldstark, zur Plusplattestark, zur Minusplatte
BeispielSr-90 → Y-90Na-22 → Ne-22
✓ Rätsel 1 gelöstDas Elektron war vorher nicht da. Es entsteht im Moment der Umwandlung Neutron → Proton — die negative Ladung muss irgendwohin.
✓ Rätsel 2 gelöstKein Nukleon geht verloren, eines wird nur umgebaut. Z ändert sich um eins — und Z bestimmt das Element.

Beim β-Zerfall wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton (β−) oder ein Proton in ein Neutron (β+) um; dabei bleibt A gleich, während Z um eins springt. Im zweiten Teil werden die vier Strahlungsarten im Feld unterschiedlich stark abgelenkt.

Umwandlung im Kern: β− und β+

− Elektron 90 38 Sr schematisch — es sind nicht alle Nukleonen gezeichnet Proton Neutron β-Teilchen
Nukleonenzahl A90
Kernladungszahl Z38
ElementSr

Ablenkung im Feld

Quelle + Platte − Platte Magnet N Magnet S α β− β+ γ

Vergleiche die vier Bahnen: γ-Strahlung läuft geradeaus, weil sie keine Ladung trägt. α wird nur wenig abgelenkt — das Teilchen ist rund 7200-mal schwerer als ein Elektron. β− und β+ werden am stärksten abgelenkt, und zwar in entgegengesetzte Richtungen. Genau so kann man im Versuch feststellen, welche Strahlung eine Probe aussendet.

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Hinweise

Hinweis

Herkunft des Elektrons

Das β-Elektron stammt nicht aus der Hülle. Es entsteht im Kern beim Umbau Neutron → Proton.

Hinweis

A bleibt gleich

Wer A um 4 verkleinert, denkt an α. Beim β-Zerfall bleibt A stehen.

Hinweis

β⁻/β⁺ vertauscht

Geht negative Ladung weg, bleibt mehr positive zurück: Z steigt (β−). Geht positive Ladung weg, sinkt Z (β+).

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