Beta henfald og antineutrinoer – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Beta henfald og antine...

06. januar 2013

Beta henfald og antineutrinoer

Hej Spørg om Fysik
Jeg ville gerne høre om hvad forskellen på gammastråling og neutrinoer egentlig er.

Jeg kan godt forstå, at neutrinoer er en del af den energi der bliver udgivet ved henfald i en beta-kerne, og som gør, at de to dele - datterkernen og den nydannede elektron - ikke bliver stødt væk fra hinanden, som det jo ellers gør ved et alfa-henfald. Og at der i denne proces kun bliver frigivet en tredjedel af den energi fra datterkernen, som der skulle have været der, hvis man altså tænker i forhold til alfa-henfald, som man jo gør, og at resten derfor bliver nødt til at blive båret væk, som i dette tilfælde, ved hjælp af en neutrino.

Det jeg så ikke forstår, er hvorfor jeg flere gange har fået at vide, at gammastråling er den portion af overskuds energi, som bliver til ved en kernedeling i både alfa- og BETA-stråling.

Er gammastråling så mere et overordnet emne? er de to ting helt forskellige? eller er der en vis energi i et beta-henfald, som ikke bliver brugt ved både udsendingen af den tredjedel energi, som før nævnt, og en neutrino?

Jeg ville være superglad hvis jeg kan få lidt om dette af vide.

Med venlig hilsen
M R L

Når radioaktive stoffer henfalder skyldes det, at kernen er ustabil. Efter henfaldet kan kernen ved, som du nævner, a og b henfald, blive efterladt i en tilstand, hvor den ikke er i sin laveste energitilstand, som naturen normalt ville tilstræbe, men i en højere energitilstand.

I fysikken er det normalt sådan, at alting søger imod den laveste energitilstand, hvis det kan lade sig gøre. Vand løber imod det laveste sted, varme ting afkøles imod omgivelsestemperaturen, fjedre retter sig ud til deres ligevægtsstilling, elektriske ladninger søger imod jordpotential osv. Sådan er det også med atomkernen, den søger altså imod den laveste energitilstand. Den skal så slippe af med energi.

I eksemplerne ovenfor sker det ved at vandet løber nedad, varmen udstråles eller køles væk af luftstrømninger, fjedrene retter sig ud, lynet slår ned osv. De eneste måder atomkernen kan skaffe sig af med overskudsenergi, hvis der ikke sker endnu et henfald, er ved at udsende den som elektromagnetisk stråling - dvs. normalt stråling i røntgen eller gammastråling området. Det sker akkurat som de andre henfald statistisk fordelt, altså med en veldefineret halveringstid.

Betahenfald

Gammastråling har den korteste bølgelængde, eller om man vil, den højeste frekvens, så gammastrålingen har større energi end røntgenstrålingen. Når et energikvant udsendes, bestemmes det hvad det bliver, ud fra overskudsenergiens størrelse (den er normalt veldefineret). Røntgen og gammastråling er elektromagnetiske bølger, akkurat som lys og radiobølger, og har principielt helt samme egenskaber, bare med kortere bølgelængde og mere gennemtrængende igennem stof.

Betahenfald og antineutrinoer fra solen

Samtidigt med et betahenfald udsendes en partikel, som man kalder en antineutrino. Her er tale om en partikel, som vekselvirker meget lidt med stof, atomer mm. Rent faktisk er den meget svær at stoppe, eller få til at reagere med noget som helst.

Der kommer enorme strømme af antineutrinoer fra ”atomreaktoren” inde i solen, som er solens kerne, og som holder solen varm. Her omdannes lette grundstoffer, f.eks. brint til lidt tungere, disse omdannes efterhånden til endnu tungere, det ender med stoffer, som har atomnumre op til jern (der har man igen et energiminimum, der kan over jern vindes energi ved at dele tungere stoffer ned til jern, fission, ellers bygge lette stoffer op til jern, fusion). Stofferne der er tungere end jern fremstilles kun ved en begivenhed i universet, nemlig når en supernova eksploderer. Det sker under selve processen.

Alle tunge stoffer på Jorden er altså gløderne af fortidens supernovaer, som senere er indfanget i den støvsky, som dannede solen med dens planetsystem - bl.a. Jorden. Antineutrinoerne fra solen kan detekteres med moderne meget kostbare tællere, men kun lige akkurat. Gode antineutrino tællere er interessante, fordi antineutrinoer vil kunne fortælle os, hvornår en supernova er eksploderet, og også noget om processerne i solen osv. Der går mængder af antineutrinoer igennem os hvert sekund, men det skader os ikke, fordi de ikke reagerer med de atomer, som danner vores krop. Faktisk kommer de lige så ofte tværs igennem jorden, ud over at de har passeret solens radius på ca. 696 000 km, det kan heller ikke stoppe dem) og rammer os såvel nedefra som ovenfra.

Se her to spørgsmål om bl.a. betahenfald:

Antineutrinoen og betapartiklen (elektronen fra kernen) deler energien der er til rådighed.

Betaspektrum (Bi)

Det gør de på forskellige måder for hvert enkelt henfald af et givet grundstof, så man får en energifordeling af betapartiklerne.

Se grafen: Kurven rammer den vandrette akse ved maksimalenergien. Desuden skal impulssætningen være opfyldt.

Det var bl.a. det der bevirkede, at antineutrinoen blev opdaget, fordi man ikke kunne se nogen grund til, at energien ikke skulle være den samme ved hvert henfald. De kerner der henfalder med en betaproces, er oftest kerner med mange neutroner, hvor det er energimæssigt fordelagtigt. En stor del af stofferne findes blandt de lettere naturlige kerner.

Wolfgang Pauli

Wolfgang Ernst Pauli

Det var Wolfgang Ernst Pauli (Østrig, 1900 – 1958), som i 1930 i et brev foreslog antineutrinoen blev udsendt. Det var især ved at rekylen imellem atomkernen og betapartiklen heller ikke passede. Bemærk, at betapartiklen ikke har noget direkte at gøre med de elektroner, der er udenom kernen i Bohrbaner, de er ansvarlige for det pågældende stofs kemi, lysspektre mm.

Betapartiklen kan altså for samme grundstofs henfald måles at have alt fra hele den overskydende del af energien, og nedefter til næsten ingen energi. Naturligvis kan kernen efterlades i en energitilstand over den laveste, så der udsendes en gammastråling ved betahenfald, som igen er den overskudsenergi, der gør at kernen ikke er i sin laveste energitilstand.

Du er altså ikke galt informeret, energien af henfaldet er dog ikke 1/3, se energikurven for betapartikler.

Med venlig hilsen
Malte Olsen