Hur bildas det gammastrålning genom beta minus?

Hur bildas det gammastrålning genom beta minus?

​Frågan ställdes 2021-09-27.

Det korta svaret är att det kan bildas genom att dotterkärnan från betasönderfallet är i ett exciterat tillstånd. Det betyder att den har lite överskottsenergi. När denna överskottsenergi avges, så sker det i form av gammastrålning.

Ett lite längre svar:

Ett beta-sönderfall betyder att en neutron sönderfaller till tre partiklar: en proton, en elektron, och en antineutrino. Det är elektronen som vi känner som betastrålning, när den far iväg med hög fart från protonen. Anti-neutrinon märks nästan inte, eftersom neutrinos har väldigt liten massa och inte interagerar mycket med annan materia. Men den knycker lite energi med sig och det var så man först upptäckte att den fanns.

Om en fri neutron beta-sönderfaller, alltså en neutron som inte är bunden i en större atomkärna, så blir det ingen gammastrålning efteråt. Det beror på att dotterkärnan i det fallet, en fri proton, inte har bundits i en atomkärna, och då kan den inte vara exciterad. All energi som frigörs i sönderfallet måste då bli till rörelseenergi hos de utstrålade partiklarna.

Men i en större atomkärna, som t.ex. kobolt-60 (27 protoner och 33 neutroner), så kan det se annorlunda ut. När den beta-sönderfaller så är det en av dess 33 neutroner som omvandlas till en proton. Det gör att man får en ny konstellation av protoner och neutroner (nu 28 protoner och 32 neutroner) som då råkar vara nickel-60. Dessa protoner och neutroner kan ha lite överskottsenergi efter sönderfallet. Det betyder i så fall att betastrålningens elektron och antineutrino fick lite mindre energi.

Den lagrade energin i dotterkärnan kan vara kvar ett tag där, som ett så kallat exciterat tillstånd, men till sist sönderfaller det, och protonerna och neutronerna trillar liksom ihop lite närmare varandra, och den överskottsenergi de hade frigörs då som en eller flera fotoner. Sådana fotoner har mer energi än de som finns i t.ex. synligt ljus. De kallas för gamma-strålning.

En del kärnor som beta-sönderfaller har bara precis tillräckligt med energi för att skicka ut beta-strålningen, men inte tillräckligt för att lämna dotterkärnan i ett exciterat tillstånd. Då kan det inte bli någon gamma-strålning efter sönderfallet. Energin räcker inte till helt enkelt. Två exempel på sådana är rätt så kända: Tritium (alltså supertungt väte) och kol-14 (som man brukar använda för datering av fossil). Dessa båda sönderfaller med beta-, men avger ingen efterföljande gamma-strålning.

Förövrigt, så är gammastrålningen som kommer från olika kärnor kännetecknande för vilken kärna de kommer ifrån, eftersom energin precis måste matcha överskottsenergin, och det är unikt från kärna till kärna. Genom att mäta gamma-energin noga kan man identifiera radioaktiva kärnor i väldigt små mängder. Detta kallas för gamma-spektroskopi.

Frågan besvarades av Peter Andersson, forskare vid avdelningen tillämpad kärnfysik vid institutionen för fysik och astronomi.