BETAZERFALL

Betazerfall,

 

β-Zerfall, auch Betaübergang, Betaumwandlung, eine der beiden Arten des radioaktiven Zerfalls (Radioaktivität) instabiler Atomkerne, bei der (im Unterschied zum Alphazerfall) Betastrahlen emittiert werden und die zerfallenden Atomkerne ihre Kernladungszahl Z um eins, ihre Massenzahl A dagegen nicht ändern. Bei diesem nuklearen oder Kernbetazerfall unterscheidet man: 1) den bei Elektronenstrahlern (Betastrahler) auftretenden β^--Zerfall (Elektronenemission), bei dem sich im zerfallenden Atomkern ein Neutron (n) in ein Proton (p) umwandelt (Z → Z + 1) und gleichzeitig ein Elektron (e^-) und wegen der Erhaltung der Leptonenzahl und der Energie außerdem ein Anti-Elektronneutrino ν̅_e entstehen, die beide emittiert werden: n → p + e^- + ν̅_e (dieser Betazerfall findet auch beim freien Neutron statt); 2) den bei Positronenstrahlern auftretenden β⁺-Zerfall (Positronenemission oder -zerfall), bei dem sich ein Proton in ein Neutron umwandelt (Z → Z — 1) und ein Positron (e⁺) und ein Elektronneutrino (ν_e) emittiert werden: p → n + e⁺ + ν_e; 3) der umgekehrte Betazerfall, bei dem Neutrinos beziehungsweise Antineutrinos im Kern Umwandlungen der Art ν + n → p + e^- beziehungsweise ν̅ + p → n + e^- hervorrufen.

 

Im weiteren Sinn werden auch der mit dem β⁺-Zerfall konkurrierende Elektroneneinfang eines Hüllenelektrons durch den Atomkern, wodurch ebenfalls ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird (p + e^- → n + ν_e), sowie die mit dem Auftreten von Leptonen (v.a. Neutrinos) verbundenen leptonischen Zerfälle der relativ langlebigen instabilen Elementarteilchen zum Betazerfall gezählt. Hierzu gehört neben dem mit einer Halbwertszeit von 11,9 min erfolgende Betazerfall des freien Neutrons z. B. der Zerfall des Myons (μ-Mesons):

 

Damit die Leptonenzahlen L_e und L_μ erhalten bleiben, muss neben den Elektronneutrinos jeweils noch ein Myonneutrino ν_μ beziehungsweise Anti-Myonneutrino ν̅_μ gebildet werden.

 

Der nukleare Betazerfall steht in engem Zusammenhang mit den Stabilitätsbedingungen für Atomkerne. Nur solche mit bestimmten Verhältnissen von Neutronen- zu Protonenzahl sind stabil. Solche mit Neutronenüberschuss erleiden β^--Zerfall (oder es tritt Elektroneneinfang auf), sodass sich ein oder - in weiteren Zerfalls- oder Einfangprozessen - mehrere Neutronen des Kerns in Protonen verwandeln. Kerne mit Protonenüberschuss erniedrigen ihre überschüssige Kernladung durch Aussendung eines Positrons beim β⁺-Zerfall. Die Energieverteilung der emittierten Betateilchen, das Betaspektrum, ist kontinuierlich und besitzt eine für den betreffenden Betastrahler charakteristische Form mit einer ebenfalls charakteristischen scharfen oberen Grenze, die je nach Betastrahler zwischen einigen keV und einigen MeV liegt. Aus dem Vorhandensein dieser Maximalenergie hat W. Pauli 1931 wegen der Gültigkeit des Energiesatzes die Existenz des Neutrinos gefolgert. Dieses übernimmt einen Teil der bei der Umwandlung des β-zerfallenden Kerns frei werdenden Energie. Der direkte Nachweis des Neutrinos und Antineutrinos (C. L. Cowan und F. Reines 1954) sowie die Auslösung von Umkehrreaktionen zum Betazerfall mithilfe intensiver künstlicher Neutrinostrahlen aus Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern waren für das Verständnis des nuklearen Betazerfalls sehr wichtig.

 

Von besonderer Bedeutung ist die Nichterhaltung der Parität beim Betazerfall (Parität). Sie folgt daraus, dass die Emissionsrichtung des Betateilchens mit der Richtung des Spins des zerfallenden Kerns zusammenhängt und dass das begleitende Neutrino oder Antineutrino einen eindeutigen Schraubensinn hat: Das Neutrino bewegt sich wie eine Linksschraube, d. h., seine Spinachse ist stets nach rückwärts gerichtet. Die Nichterhaltung der Parität ist eine Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung, die sowohl den nuklearen als auch den leptonischen Betazerfall verursacht.