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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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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.

Merke

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.

Rätsel: Das Elektron war vorher nicht im Kern, es entsteht bei der Umwandlung des Nukleons.

Eigenschaften: β-Teilchen sind geladen und sehr leicht, werden im Feld stark abgelenkt (β− und β+ entgegengesetzt) und kommen in Luft 1 bis 50 m weit.

Abschirmung: Papier reicht nicht; erst ein dickes Buch oder eine dünne Bleiplatte stoppt sie.

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
Merke

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)

Merke

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.
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Selbst ausprobieren

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. Starte die Umwandlung mit ▶.

Umwandlung im Kern: β⁻ und β⁺

− Elektron 90 38 Sr schematisch — es sind nicht alle Nukleonen gezeichnet Proton Neutron β-Teilchen

Halte fest: Beim β-Zerfall bleibt die Nukleonenzahl A gleich, die Kernladungszahl Z ändert sich um eins — es entsteht ein anderes Element.

Im zweiten Teil werden die vier Strahlungsarten im Feld unterschiedlich stark abgelenkt. Schalte das Feld ein und wechsle zwischen elektrischem und magnetischem Feld.

Ablenkung im Feld

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

Halte fest: 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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Allgemeine Hinweise

Herkunft des Elektrons

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

A bleibt gleich

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

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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