Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

59 22.3 Radioaktivität b -Zerfall A1 Vergleiche das Energiespektrum der a -Strahlung mit dem Energiespektrumder b -Strahlen (Kap. 20.5.6)! Welche Folgerungen können daraus gezogen wer- den? A2 Wiederhole den Abschnitt „Schwache Wechsel- wirkungen“! Freie Neutronen sind nicht stabil, sondern zerfallen mit einer Halbwertszeit von etwa 10 3 s: n p e e 0 1 1 1 " o + +- Diese Reaktion ist energetisch möglich, da die Masse des Neutrons größer ist als die Summe der Massen des Protons, des Elektrons und des Antineutrinos. A3 Überprüfe dies! In manchen Atomkernen zerfällt ein Neutron wie das freie Neutron, indem es sich in ein Proton umwandelt und ein Elektron und ein Antineutrino aussendet. Das Elektron kann im Kern nicht gebunden werden und verlässt den Atomkern als b -Strahlung . Der Zerfall des 16 C-Kerns wird in der Reaktionsglei- chung so angeschrieben: C N e e 6 16 7 16 " o + +- 22.3.4 Beim b -Zerfall muss das neue Proton im Tochterkern gegen die Coulombabstoßung der anderen Proto- nen in den Kern eingebaut werden. Dazu muss eine bestimmte Energie E aufgewendet werden. Ist der Massendefekt aus dem b -Zerfall groß genug, um die- se Energie zur Verfügung zu stellen, so ist der entspre- chende Kern instabil. A4 Berechne den Massendefekt aus der Neutronen- masse und der Summe der Protonen- und Elektronen- masse und schätze die äquivalente Energie ab! Was geschieht mit diesem Energiebetrag? Die Coulombenergie, die zum Einbau eines Protons im Atomkern nötig ist, wird frei, wenn ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird. Im Gegensatz zum freien Neutron können freie Proto- nen nicht etwa wie im obigen Beispiel zerfallen, weil das Proton eine kleinereMasse als das Neutron hat. Ob in einem Atomkern b – - oder b + -Zerfälle auftreten, wird anhand der Energiebilanz des Atomkernes geklärt: 1. Fall: Der Energiegewinn aus dem Zerfall eines Neutrons ist größer als die Coulombenergie, die zum Einbau eines weiteren Protons aufgebraucht werden muss. Die Folge ist ein b – -Zerfall. 2. Fall: Der Energiegewinn aus dem Zerfall eines Pro- tons ist durch den Wegfall der Coulombenergie im Atomkern größer als der Energiebetrag, der für die höhere Neutronenmasse notwendig ist. Die Folge ist ein b + -Zerfall. Offensichtlich ist beim b + -Zerfall der zusätzliche Ener- giebetrag zur Bildung des Neutrons kurzzeitig aufzu- bringen, bevor diese Energie aus der Verringerung der Coulombabstoßung zur Verfügung steht. Dies kann mit Hilfe der Energieunschärfe erklärt werden. Beispiel b -Zerfall des Kohlenstoffisotops 16 C Energie p n N 16 7 Energie p n C 16 6 Ein Neutron von einem höherem Energieniveau zerfällt in ein Proton, welches ein niedrigeres Energieniveau besetzt. Beim Zerfall ändert sich die Kernladungszahl, es entsteht ein neues Element. Abb. 59.1 Ein Neutron von einem höheren Energieniveau des Kohlenstoffkernes zerfällt in ein Proton, das ein niedrigeres Energieniveau besetzt. Da sich die Kernladungszahl ändert, entsteht bei der Reaktion ein Stickstoffkern. Beispiel b + -Zerfall des Natriumisotops Na-22 Na Ne e e 11 22 10 22 " o + + + Bei dieser Reaktion wird das Proton in ein Neutron, ein Positron und in ein Neutrino (Antiteilchen des Antineutrinos) umgewandelt. Dazu ist Energie nö- tig, da die Summe der Neutronenmasse und der Positronmasse größer ist als die Protonenmasse. Das Positron verlässt den Atomkern als b + -Strahlung. BW5/K2.11 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum de Verlags öbv