Das β-Spektrometer — Messung der kontinuierlichen ...

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2 Physikalische Grundlagen2.2.2. Radioaktive Kernumwandlungen„Die Erscheinung der Radioaktivität ist durch die spontane Umwandlung instabilerAtomkerne unter Energieabgabe gekennzeichnet. Die Abgabe der Energie erfolgt dabeiin Form ionisierender Strahlung, die entweder direkt vom Atomkern ausgeht oderindirekt durch die Kernumwandlung in der Atomhülle erzeugt wird“, [14].Ein instabiles Nuklid zerfällt in der Regel durch einen der folgenden Prozesse 8 :α-ZerfallSchwere Nuklide müssen Masse abgeben, da die Bindungskräfte für die außen liegendenTeilchen entsprechend geringer werden. Dabei emittiert der Atomkern einen 4 2He-Kern,das α-Teilchen, mit hoher kinetischer Energie:AZ X −→ A−4Z−2Y + α .Die Nukleonenzahl des Mutterkerns verringert sich dadurch um vier und die Protonenzahlum zwei Einheiten.β-ZerfallDieser Prozess, der sowohl bei leichten als auch bei schweren Nukliden auftritt, kannauf dreierlei Art stattfinden:• β − -Zerfall:Wenn ein Atomkern mehr Neutronen enthält, als zur Stabilität nötig ist, sowandelt sich ein Neutron unter Aussendung eines Elektrons, dem β − -Teilchen,und eines Antineutrinos ν in ein Proton um:AZ X −→AZ+1Y + β − + ν .Die Kernladung, also die Protonenzahl, vergrößert sich dabei um eine Einheit.• β + -Zerfall:Enthält ein Atomkern dagegen weniger Neutronen, als zur Stabilität des Kernsnötig ist, so wandelt sich ein Proton unter Aussendung eines Positrons, demβ + -Teilchen, und eines Neutrinos ν in ein Neutron um:AZ X −→AZ−1Y + β + + ν .Das Positron hat dieselbe Masse und dieselbe Ladung wie das Elektron, jedochmit positivem Vorzeichen. Die Protonenzahl verkleinert sich um eine Einheit.8 Obwohl bei den meisten radioaktiven Umwandlungen die Atomkerne nicht zerfallen, sondernlediglich ihre Neutronen- bzw. Protonenzahl oder ihre Bindungsenergie verändern, bezeichnet mandiese Umwandlungen im üblichen Sprachgebrauch als „radioaktive Zerfälle“. Echte Zerfälle liegennur beim α-Zerfall und bei Kernspaltungsprozessen vor.8
2.2 Stabile und instabile Kerne• Elektroneneinfang (EC):Dasselbe Ergebnis wie beim β + -Zerfall ergibt sich auch dadurch, wenn der Kernein Hüllenelektron einfängt. Dabei verbindet sich das Elektron (meist aus derK-Schale) mit einem Proton des Kerns zu einem Neutron und einem Neutrino ν:AZ X + e − −→AZ−1Y + ν .Beim β-Zerfall ändert sich lediglich die Protonenzahl Z, die Massenzahl A bleibterhalten. Die Umwandlung ist isobar. Eine ausführlichere Darstellung des β-Zerfallsfolgt in Abschn. 2.3, da der beschriebene Versuch mit dieser Art von Strahlungdurchgeführt wird.γ-ZerfallBei all diesen Kernumwandlungen kann es vorkommen, dass sich der entstehendeTochterkern nicht in seinem niedrigst möglichen Energiezustand befindet. Diese angeregtenKerne kehren unter Aussendung von elektromagnetischen Wellen, γ-Strahlung,direkt oder über weniger energiereiche Zwischenstufen in den Grundzustand zurück:AZ X ∗ −→ A ZX + γ .Der γ-Zerfall ist also weder eine Umwandlung noch ein wirklicher Zerfall des Mutternuklids,er äußert sich lediglich in einer Verminderung der Energie.Abb. 2.4.: Die Zerfallsarten in der Nuklidkarte.9
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