Betazerfall

Der Betazerfall ist jener Kernvorgang, bei dem sich ein Neutron in ein Proton verwandelt oder umgekehrt. Er ist der Ausgangspunkt der gesamten Neutrinophysik: An ihm fiel auf, dass Energie zu fehlen schien, und aus dieser Lücke entstand die Vermutung, es gebe das Neutrino.

Die drei Formen

Beta-minus-Zerfall. Ein Neutron wird zu einem Proton, einem Elektron und einem Antineutrino. Der Kern rückt im Periodensystem um einen Platz nach oben. Dies ist der häufigste Fall und der, den man gewöhnlich meint.

Beta-plus-Zerfall. Ein Proton wird zu einem Neutron, einem Positron und einem Neutrino. Der Kern rückt einen Platz nach unten. Frei geschieht das nie — ein einzelnes Proton ist stabil —, wohl aber im Kernverband, wenn die Bindungsenergie es begünstigt.

Elektroneneinfang. Der Kern zieht ein Elektron aus der innersten Schale zu sich und wandelt damit ein Proton in ein Neutron um. Hier entsteht nur ein Neutrino und sonst kein geladenes Teilchen. Genau diesen Vorgang nutzte Maurice Goldhaber 1958 für die Messung der Helizität.

Was dahintersteckt

Auf der Ebene der Quarks ist der Vorgang einfach. Ein Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark, ein Proton umgekehrt. Beim Zerfall wandelt sich ein Down-Quark in ein Up-Quark um und sendet dabei ein W-Boson aus, das sofort in Elektron und Antineutrino zerfällt.

Weil das W-Boson rund achtzigmal schwerer ist als ein Proton, kommt es kaum weit — und deshalb ist die schwache Wechselwirkung so träge. Ein freies Neutron lebt im Mittel etwa 880 Sekunden, also knapp eine Viertelstunde. Für Kernvorgänge ist das eine Ewigkeit.

Das Rätsel des kontinuierlichen Spektrums

1914 stellte James Chadwick fest, dass die Elektronen aus dem Betazerfall ganz unterschiedliche Energien haben. Bei jedem anderen Kernvorgang ist die Energie scharf: Der Kern springt von einem Zustand in einen anderen, und die Differenz erscheint vollständig.

Hier war es ein breites Spektrum, von nahezu null bis zu einem Höchstwert. Wo blieb der Rest?

Fünfzehn Jahre lang war umstritten, ob es sich um einen Messfehler handelte. 1930 entschieden Lise Meitner und Wilhelm Orthmann die Frage mit einem Kalorimeter: Sie maßen nicht einzelne Elektronen, sondern die gesamte abgegebene Wärme. Wäre das Spektrum ein Artefakt, hätte die Wärmemenge dem Höchstwert entsprechen müssen. Sie entsprach dem Mittelwert.

Die Energie verschwand also wirklich.

Die beiden Auswege

Niels Bohr erwog ernsthaft, den Energieerhaltungssatz im Kleinen aufzugeben.

Wolfgang Pauli hielt das für den höheren Preis und schlug im Dezember 1930 den anderen Weg vor: ein unsichtbares Teilchen, das die fehlende Energie forttrage.

Enrico Fermi machte daraus 1934 eine Theorie, die nicht nur die Bilanz rettete, sondern die Form des Spektrums vorhersagte — und die gemessene Form stimmte. Damit war Paulis Notlösung geprüfte Physik.

Warum die Form des Spektrums heute noch zählt

Am oberen Ende des Spektrums, wo das Elektron fast die gesamte Energie erhält, bleibt für das Neutrino kaum etwas übrig. Hat dieses eine Masse, so muss mindestens die dafür nötige Energie aufgebracht werden — und das Spektrum endet ein winziges Stück früher.

Genau das misst KATRIN an Tritium. Es ist der einzige Zugang zur Neutrinomasse, der ohne Modellannahmen auskommt.

Der doppelte Fall

Bei manchen Kernen ist der einfache Betazerfall energetisch verboten, der doppelte aber erlaubt. Dann wandeln sich zwei Neutronen gleichzeitig um. Die Halbwertszeiten liegen bei 10¹⁸ Jahren und mehr — und dennoch ist dieser Zerfall gemessen worden.

Gesucht wird die Variante ohne Neutrinos. Sie wäre nur möglich, wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, und würde damit eine der ältesten offenen Fragen beantworten. Näheres auf der Seite Doppelbetazerfall.

Wo der Vorgang sonst begegnet

Der Betazerfall ist keine Laborangelegenheit. Er erzeugt die Reaktorneutrinos, aus denen 1956 der erste Neutrinonachweis gelang. Er liefert die Geoneutrinos, mit denen sich die Wärmebilanz der Erde bestimmen lässt. Er steht am Anfang der Kernfusion in der Sonne. Und er ist die Grundlage der Radiokohlenstoffdatierung.

Verwandte Begriffe

• Wolfgang Pauli — der Vorschlag von 1930
• Lise Meitner — die entscheidende Messung
• Enrico Fermi — die Theorie
• KATRIN — die heutige Anwendung

Quellen

• E. Fermi: Versuch einer Theorie der β-Strahlen, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934).
• L. Meitner, W. Orthmann: Über eine absolute Bestimmung der Energie der primären β-Strahlen von Radium E, Zeitschrift für Physik 60, 143 (1930).