Betastrahlung

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.