Beta-Zerfall

Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann

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Der Artikel Beta-Zerfall basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 12.Kapitels (Abschnitt 0) der Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann.

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(A, Z) (A, Z) e + (A, Z) --1 (A, Z+1) --~ (A, Z-1) --~ (A, Z-1) reduziert formuliert als n--~p+e ~ + 11 p --;> n + e+ + 11 e- + p ) n + 11 - 47 - ~ + e + 11 + e+ + 11 + 11 ß--Zerfall ß+-zerfall} e--Einfang konkurrierend Beta-Zerfall energetisch möglich 4 siehe Isobarenregel als Folgerung aus der Weizsäckerschen Massenformel S. 8

Datei:13.1.beta.messung.png Beim ß-Zerfall ist neben der Halbwertzeit t 1/2 = ~ das Energiebzw. Impulsspektrum der Elektronen (Positronen) meßbar. Ein theoretischer Ansatz muß die Form des Impulsspektrums A(Pe)' d. h. die Wahrscheinlichkeit für die Emission eines Elektrons (Positrons) mit dem Impuls Pe wiedergeben. Die Intergration über alle A(Pe) ergibt die Gesamtübergangswahrscheinlichkeit A = SA(Pe)dPe und damit die Halbwertzeit t 1/ 2 . Fermi-Ansatz [Z. Physik 88, 161 (1934)] in Analogie zu elektromagnetischen Übergängen. Störungstheorie (Fermi Goldene Regel)

Datei:13.2.beta.fermi.ansatz.png Störungstheorie (Fermi Goldene Regel) i f wechselwirkungsoperatord(:</(if> =Sf;2tfi dr Dichte der Endzustände dN/dEo

<dtif> = Iq;:(PvGe)Oq;;(A, Z+~)dr Leptonen-Wellenfunktionen Nukleonen-Wellenfunktionen (Integration wegen Nukleonen-WF nur über das Kernvolumen) Bei Leptonen-WF Ansatz freier Teilchen, d. h. auslaufende ebene --+-> Wellen q;{P) ~ ei(prl/fi = 1 + i(p-i)/l1 - ~(p-i/11)2 + ... Bei der Integration kann man zunächst alle Anteile mit pi/~ vernachlässigen, da für Ee ~ 1 MeV und für alle Ev gilt: l1/p = K~ 200010-15m/E[MeVj und damit pR/l1 ~ 10-2 . Man betrachtet die Leptonenwellenfunktionen also als konstant im Bereich des Kernvolumens. Diese Näherung ist gleichbedeutend mit der Annahme, daß bei der Leptonenemission kein Bahndrehimpuls weggetragen wird ("erlaubte" Übergänge.6.1 = 0). "klassische" Deutung R QM L = poR ~ nof( Bei pR/l1 « 1 ist nur n = 0 maßgebend Den Wechselwirkungs operator ersetzt man durch die Kopplungskonstante Datei:13.3.beta.klassische.deutung.png Den Wechselwirkungs operator ersetzt man durch die Kopplungskonstante g, so daß <<tif> insgesamt unabhängig von Pe wird und die Abhängigkeit des Impulsspektrums allein im statistischen Faktor dN/dEo (der Dichte der Endzustände) steckt. Allgemein bei freien Teilchen dN ~ p2 dp, somit bei gleichzeitiger Emission beider Leptonen dN ~ dN(Pe)odN(pv) mit EO = Ee + Ev = v(mocZ)Z+(PeC)2'+ Pvc (Neutrinomasse = 0 gesetzt). Damit wird das Impulsspektrum A(Pe)dPe: Datei:13.4.extrapolation.fermi.darstellung.png Durch Extrapolation bei der Fermi-Darstellung Bestimmung von Eo ' Damit auch die Möglichkeit zur Bestimmung einer möglichen Neutrinomasse, deren Existenz einen großen Einfluß auf Struktur und Entwicklung des Universums hat. Dabei wegen Fehlerabschätzung EO möglichst klein wählen, z. B. Tritium-Zerfall 3H ~ 3He + e- + v mit EO = 18 keV (t1 /2 ~ 12a) [mv c 2 zur Zeit :SreVj. Integration über Impulsspektrum: Po \ = ~ =JA(P )dp = const. 1\ tee 1/2 o f ( Z, Eo) i über Coulomb-Korrekturfaktor Die f-Werte sind tabelliert (z. B. Feenburg, Trigg, Rev. Mod. Phys. 22, 399). Sie enthalten die gesamte Energieabhängigkeit. Grobe Abschätzung: ~ JP;dPe 2 pci ~ E 3,5 nichtrelat. Bereich (Eo « 1 MeV) : Ee ~ Pe~f ~ 0 > Pe~f ~ Jp!dPe 5 E 5 relat. Bereich (EO ~ 1 MeV) :Ee ~ ~ Po ~ 0 Bei genauerer Betrachtung muß man berücksichtigen, daß die Spins der beiden Leptonen parallel (Gamow-Teller-übergänge) oder antiparallel (Fermi-Übergänge) stehen können. Für erlaubte Übergänge (.6.1 = 0) gelten somit die Auswahlregeln: ~ ~ Fermi-Ü: I i ;:: I f nv.6..1 = 0 Gamow-Teller-Ü: I i = I f + 1 ~.6.I = 0, ±l (0 <-I~ 0)

anschaulich: 1'r ~ 1'r + 1'r + ~ Fermi ~ n p e 1/ 1'r ~ ~ + 1'r + 11 Gamow-Teller Verbotene Übergänge: Merkmal: größere Drehimpulsänderungen, größere ft1/ 2-Werte Beiträge für diese Übergänge aus: a) Reihenentwicklung der Leptonenwellenfunktionen e ipr /ll = 1 + li (pr/-tl) - ~(pr/1'l')2J +- ... v bisher vernachlässigt b) relativistische Wellenfunktionen der Nukleonen mit vN/c-Beiträge Beispiele für erlaubte und verbotene Übergänge:

Datei:13.5.verbotene.uebergaenge.png