Betazerfall: Instabile Neutronen und das Glück einer alten Erde

28. Mai 2013 von Joachim Schulz in Physik allgemein

Das Neutron gehört ja eigentlich zu den weniger sinnvollen Teilchen, die die Natur zu bieten hat. Es hat keine elektrische Ladung und hat als freies Teilchen eine Lebensdauer von etwa einer Viertelstunde. Dann zerfällt es in ein Proton, dem geladenen Kernbaustein, ein Elektron, dem Teilchen, das für alle chemischen Prozesse und damit für das Leben verantwortlich ist, und in ein nutzloses Neutrino1.

Gelegentlich bekomme ich E-Mails von Hobbywissenschaftlern, die sich (und mich) fragen, ob es nicht eine gute Annahme wäre, dass das Neutron einfach ein gebundener Zustand aus Proton, Elektron und Neutrino sei. Ich bin mir immer nicht sicher, wie ich darauf antworten soll, denn diese Annahme ist ja tatsächlich naheliegend. So naheliegend, dass Physiker einen guten Grund dafür haben müssen, wenn sie davon ausgehen, dass das Neutron tatsächlich die neutrale Schwester des Protons ist. Genauso elementar wie dieses.

Die Fakten legen – wenn wir einmal das Quarkmodell beiseite lassen und uns auf moderate Energien beschränken – durchaus nahe, dass das Neutron einfach aus den drei Teilchen, Proton, Elektron und Neutrino, besteht. Immerhin ist seine Masse größer als die Masse dieser drei Teilchen zusammen. Sonst könnte es nicht spontan zerfallen. Man kann sich also bildlich vorstellen, dass das negativ geladene Elektron irgendwie mit dem neutralen Neutrino an einem positiv geladenen Proton festklebt und so das Neutron bildet. Irgendwann löst sich diese Bindung und der sogenannte Betazerfall tritt ein.

Als sich um die vorletzte Jahrhundertwende die Kernphysik etablierte, war diese Idee durchaus mit dem Stand der Forschung vereinbar. Man wusste, dass die Massen der Atome ganze Vielfache der Protonenmasse betragen. Es war bekannt, dass das Elektron gegenüber dem Proton vernachlässigbar leicht ist. Und es war bekannt, dass Atome irgendwie aus Protonen und Elektronen bestehen. Neutronen brauchte kein Mensch. Ein Atomkern aus Protonen, die Teilweise durch Kernelektronen stabilisiert werden, wäre nicht abwegig gewesen.

Isospin

Leider hat uns die Natur nicht den Gefallen getan, so einfach zu sein. Die subatomare Welt besteht nicht nur aus den beiden Teilchen, die wir brauchen, um Chemie und Biologie zu verstehen. Sie besteht aus einem ganzen Teilchenzoo mit jeder Menge Symmetrien. Eine dieser Symmetrien ist die Isospin-Symmetrie, die im Wesentlichen sagt, dass Proton und Neutron bis auf ihre Ladung dasselbe Teilchen sind. Analog dazu gibt es die Symmetrie des schwachen Isospin, die Elektron und Neutrino als dasselbe Teilchen mit verschiedenem Ladungszustand sieht.

Unter diesem Gesichtspunkt ist der Zerfall eines Neutrons, der Betazerfall, etwas ganz anderes, nämlich die Paarbildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paars mit der Energie, die aus der Umwandlung eines anderen Teilchens in sein Geschwisterteilchen frei wird. Konkret: Das Neutron wandelt sich spontan in ein Proton um und gibt dabei Energie ab. Diese Energie bildet ein Paar aus einen Elektron und einem Anti-Neutrino.

Was hier ein bisschen willkürlich wirkt, ist ein grundlegender Vorgang, der als schwache Kernkraft oder schwache Wechselwirkung bezeichnet wird. Es gibt unzählige solcher Vorgänge. Zum Beispiel den Elektronen-Einfang oder inversen Betazerfall, bei dem sich ein Proton in ein Neutron umwandelt und dabei ein Elektron in ein Neutrino umgewandelt wird. Oder den Beta-Plus-Zerfall, bei dem sich auch ein Proton in ein Neutron umwandelt aber dabei ein Paar aus Antielektron (auch Positron genannt) und Neutrino entsteht.

Sie werden bemerkt haben, dass die beiden Vorgänge eigentlich unmöglich sind, denn das Proton braucht Energie, um sich in ein Neutron zu verwandeln und kann daher keine Energie abgeben. Dashalb kommen beide Effekte nur vor, wenn sich das Proton in einem Atomkern befindet, der einen Protonenüberschuss hat. Aber sie kommen vor. Die Energie kommt dann daher, dass der Atomkern mit einem Neutron mehr und einem Proton weniger enger zusammenrücken kann und stärker gebunden ist.

Neutrinos nachweisen

Derselbe Vorgang wird auch verwendet, um Anti-Neutrinos nachzuweisen. Diese kleinen Teilchen reagieren mit fast gar nichts und gehen meist unbemerkt durch die ganze Erde hindurch. Ab und zu passiert es aber, dass ein Anti-Neutrino einem Proton nahe genug kommt, um ihm einen Teil seiner Bewegungsenergie zu übertragen und ihm seiner Ladung zu berauben. Das Anti-Neutrino wandelt sich dann in ein Positron (Antielektron) um und zugleich entsteht aus dem Proton ein Neutron. Dieser Effekt kann durch einen Detektor gut beobachtet werden. Er ist sehr charakteristisch, denn das Positron verschmilzt sehr schnell mit einem Elektron in der Nähe und sendet zwei Gammablitze aus; das Neutron irrt noch einige Zeit umher und vereinigt sich nach gewisser Zeit mit einem Gadolinium-Atomkern und erzeugt dann verzögert charakteristische Kernstrahlung. (Gadolinium wird den Detektoren zu diesem Zweck beigemischt.)

Kaliumverstrahlung

Wo wir gerade vom Betazerfall und seinen beiden Brüdern, dem Elektronen-Einfang und dem Beta-Plus-Zerfall sprechen: Kalium-40 ist ein radioaktives Element, das alle drei dieser Vorgänge ausführen kann. Es zerfällt in fast 90% der Fälle durch normalen Betazerfall in Calcium. Zu etwas mehr als 10% fängt es aber auch ein Elektron ein und wird zu Argon und ganz selten wandelt sich sich unter Beta-Plus-Zerfall zu Argon um.

Kalium bildet übrigens den Hauptanteil der Radioaktivität in unserer Nahrung (Quelle). Lars Fischer hat mich durch seinen Videoblog auf Youtube daran erinnert. Radioaktives Kalium kommt nicht nur in Bananen vor, alle Lebensmittel sind damit verseucht. Und hieran sind nicht etwa Kernkraftwerke oder Atombombentests schuld, sondern schlicht die Natur. Kalium-40 gehört zu den primordialen radioaktiven Nukliden, also zu den radioaktiven Elementen der ersten Stunde. Es ist, als die Erde von 4,6 Milliarden Jahren entstand, mit eingebacken worden und seitdem noch nicht vollständig zerfallen. Schließlich beträgt seine Halbwertszeit beachtliche 1,2 Milliarden Jahre, es gibt damit noch immer etwas weniger als 1/14 der ursprünglichen Kalium-40 Menge auf der Erde.

Wir haben also Glück, dass die Erde so alt und nicht nur ein paar Jahrtausende jung ist. Sonst wäre die natürliche Strahlenbelastung um einiges höher.

Anmerkung:

1Am Anfang des Textes schreibe ich an einigen Stellen einfach Neutrino, wo es sich tatsächlich um ein Anti-Neutrino handelt. Das hat historische Gründe. Das beim Beta-Zerfall unsichtbare Teilchen erhielt zunächst den Namen Neutrino und wurde erst später als Antiteilchen identifiziert. Der Begriff "Neutrino" wird manchmal als Oberbegriff für Neutrinos und Anti-Neutrinos verwendet.


29 Kommentare zu “Betazerfall: Instabile Neutronen und das Glück einer alten Erde”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Zuwenig Kalium-40 in unserer Umwelt?

    Dass unsere Umwelt heute nur noch 1/14 der Kalium-40 Menge vor 4.6 Milliarden aufweist, muss kein Vorteil sein, denn offensichtlich entstand und entwickelte sich Leben unter diesen hohen Werten von Hintergrundstrahlung und das Abfallen der Hintergrundstrahlung könnte sogar dazu führen, dass bestehende Reperaturmechanismen nicht mehr aktiviert werden, weil die Strahlung unter dem Niveau für die Aktivierung bleibt.
    Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe von Experimenten, die zuerst einmal belegen, dass kleine Dosen ionisierender Strahlung (die aber deutlich über der Hintergrundstrahlung liegen) die Lebensdauer vieler Organismen erhöhen und die Krebsrate senken. Man spricht von radiation
    hormesis
    .

    Die Annahme, das Fehlen einer Noxe - wie es z.B. ionisierende Strahlung ist -, könne nur positiv sein, vernachlässigt die Tatsache, dass es vielerlei Noxen gibt und dass höhere Lebewesen ohne Reperaturmechanismen vielfältigen Alterungs- und Degenerationsprozessen ausgesetzt wären und zudem zwangsläufig Krebs entwickeln würden.
    Das bestätigt sich beispielsweise bei immunsupprimierten Personen, die deutlich mehr Krebs entwickeln When the immune system function is suppressed, there is an increased susceptibility to infectious diseases and cancers."
    Immunzellen scheinen also Krebszeilen abzuräumen.

    Es gibt Hinweise, dass der menschliche und tierische Körper über vielfältige Reperaturmechanismen verfügt. Zu diesen Reperaturmechanismen gehört auch die DNA-Reperatur und es gibt viele Experimente,die belegen, dass eine leicht erhöhte ionisierende Hintergrundstrahlung, die DNA-Reparatur allgemein aktiviert, so dass Defekte, die sonst nicht "bemerkt" würden, nun repariert werden.
    Hier ein Beispiel aus den Berkely Labs
    "“Our data show that at lower doses of ionizing radiation, DNA repair mechanisms work much better than at higher doses,” says Mina Bissell, a world-renowned breast cancer researcher with Berkeley Lab’s Life Sciences Division. “This non-linear DNA damage response casts doubt on the general assumption that any amount of ionizing radiation is harmful and additive.”"

    Ein schlagendes Beispiel für die Wichtigkeit der DNA-Reparatur ist das BRCA1-Gen, "that produces a protein called breast cancer type 1 susceptibility protein, responsible for repairing DNA"
    Frauen mit defektem BRCA1-Gen entwickeln früh Mamma- und Ovarkarzinome und sowohl die Mutter als auch eine Tante der Schauspielerin Angeline Jolie starben relativ jung an Brustkarzionemn, weswegen Angelina Jolie das Brustgewebe kürzlich entfernen liess.

    Fazit: Ein Leben mit einer Noxe weniger -z.B. ionisierender Strahlung - muss kein gesünderes Leben sein. Denn es gibt viele Noxen und ohne vielfältige Reperatursysteme würden wir nicht sehr lange überleben und es kann gut sein, wenn ein "schlafendes" Reperatursystem etwas aktiviert wird.

  2. JanG Antworten | Permalink

    toller Text

    Danke für diesen schönen Artikel, hat mir mal wieder gut gefallen (auch wenn die Einleitung etwas leger war: nutzloses Neutrino ;-))

    Es ist schön, nach so langer Zeit mal wieder was aus meinem ursprünglichen Gebiet zu hören, immerhin war ich damals in der Uni auch in der Kernphysik, speziell bei Proton-Proton-Reaktionen im Mittelenergieberich tätig.

    Lustig auch, dass am Ende Kalium-40 ein Thema war. Hier schließt sich wieder der Kreis zu meinem heutigen Forschungsgebiet: der Endlagerung radioaktiver Abfälle. Denn interessanterweise ist Kalium-40 der Hauptbestandteil des in der Asse befindlichen Salzes.

    Nicht nur, dass in der Zeit der Salzförderung in der gleichnamigen Schachtanlage seinerzeit mehr Aktivität an's Tageslicht geholt wurde, als später eingelagert wurde, auch gibt es in der Nähe der Asse eine Quelle, die mehr als 23.000 Bq/m³ Aktivität enthält. Grund: der hohe Gehalt an Kalium-40. Da es sich hier aber um natürliche Radioaktivität handelt, besteht aber kein Grund zur Besorgnis. Denn merke: natürliche Radioaktivität = gut, künstliche Radioaktivität = das Ende der Menschheit. (Ironie off).

    Wie gesagt: ein schöner Artikel, ich verfolge diesen Blog sehr gern und bin auf weitere Texte gespannt.

    Beste Grüße aus Dresden,
    JanG

  3. Joachim Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr

    Ich finde Ihre Argumentation nicht stichhaltig. Sie haben natürlich recht, dass eine 14 Mal höhere Kaliumkonzentration nicht der Untergang wäre. Da habe ich übertrieben. Es gibt Gebiete auf der Erde mit so hoher Strahlenbelastung und den dort lebenden Menschen geht es gut.

    Der Einfluss von Radioaktivität auf die Entwicklung des Lebens dürfte allerdings zu gering gewesen sein, als dass wir an bestimmte Strahlenaktivität angepasst oder gar von ihr abhängig sein könnten. Die allermeisten Schäden im Erbgut werden nicht durch Radioaktivität, sondern durch andere Noxen oder schlicht durch Fehler bei der Zellteilung ausgelöst. Der Reparaturmechanismus muss auch ganz ohne Radioaktivität funktionieren. Sonst wären wir nicht hier.

  4. pikarl Antworten | Permalink

    Erdgeschichte

    Bislang habe ich zur These, dass erhöhte Radioaktivität die Entwicklung des Lebens beflügeln kann, nur in einem anderen Zusammenhang gelesen: Bei sonnennahen Gamma Ray Bursts könnte es sehr intensive, aber auch nur sekundenkurze Strahlenbelastungen gegeben haben, die *weit* über das Hintergrundniveau hinaus gereicht haben könnten. In einem Paper dazu (von Nicht-Biologen, allerdings) stand, dass könnte global die Mutationsrate und damit die Entwicklung neuer Arten vorangetrieben haben und/oder ein globales Massensterben ausgelöst haben.

    Allerdings dürften sich lang anhaltende und kurzfristige Expositionen ja gänzlich unterschiedlich auswirken. Wäre spannend, ob sich aus biologischer/paläontologischer Sicht Überlegungen über die jeweiligen Folgen finden lassen.

  5. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    @Joachim: Radiohormesis =improved repair

    Radiation hormesis wird durch Aktivierung der Reperaturmechanismen erklärt. Hier deckt sich meine Argumentation mit derjenigen in der Wikpedia und wenn sie meine Argumentation nicht stichhaltig finden, finden sie somit auch die dortige Argumentation nicht stichhaltig:
    "Radiation hormesis (also called radiation homeostasis) is the hypothesis that low doses of ionizing radiation (within the region and just above natural background levels) are beneficial, stimulating the activation of repair mechanisms that protect against disease, that are not activated in absence of ionizing radiation. The reserve repair mechanisms are hypothesized to be sufficiently effective when stimulated as to not only cancel the detrimental effects of ionizing radiation but also inhibit disease not related to radiation exposure (see hormesis)."

    Die These, dass Reperaturmechanismen aktiviert werden durch erhöhte Dosen ionisierender Strahlung heisst nun aber nicht, dass wir ionisierende Strahlung als Lebenselixier brauchen. Da stimme ich mit ihrer Aussage überein " Der Reparaturmechanismus muss auch ganz ohne Radioaktivität funktionieren. Sonst wären wir nicht hier."

    Meine und die Behauptung der Radiohormesis-These ist lediglich, dass erhöhte Levels ionisierender Strahlen Reparaturmechanismen stärker aktivieren als sie sonst schon aktiv wären.

    Wie gesagt gibt es sehr viele Experimente und auch Vorfälle/Unfälle, die diese These stark unterstützen. So entwickelten Bewohner von Cobalt-60 verseuchtem Stahlbauten deutlich weniger Krebs als erwartet (Zitat) " In 1982, more than 20,000 tons of steel was accidentally contaminated with Cobalt-60, much of this radioactive steel was used to build apartments and exposed thousands of Taiwanese to gamma radiation levels of up to >1000 times background (ave. 47.7 mSv, max. 2360 mSv excess cumulative dose); it was not until 1992 that the radioactive contamination was discovered. A subsequent study by Hwang et al. (2006) found the incidence of "all cancers" in the irradiated population was 40% lower than expected (95 vs. 160.3 cases expected), except for leukaemia in men (6 vs. 1.8 cases expected) and thyroid cancer in women (6 vs. 2.8 cases expected), an increase only detected amongst those exposed before the age of 30."

    Die biochemische Basis, welche zu einer Aktivierung der DNA-Reperaturmechanismen bei ionisierender Strahlung führt, findet sich z.B. hier untersucht: Activation of DNA-PK by Ionizing Radiation Is Mediated by Protein Phosphatase 6" und man liest: "Our data demonstrate that PP6 associates with and activates DNA-PK in response to ionizing radiation."

  6. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    @ pikarl : Betazerfall + Fieberphantasie

    Die (Zitat ihr Kommentar)" These, dass erhöhte Radioaktivität die Entwicklung des Lebens beflügeln kann" habe ich nirgends in diesem Beitrag von Joachim gelesen. Es muss ihrer Fantasie entsprungen sein, Joachim habe diese These hier oder irgendwo anders vertreten.
    Joachim schreibt sogar:
    "Wir haben also Glück, dass die Erde so alt und nicht nur ein paar Jahrtausende jung ist. Sonst wäre die natürliche Strahlenbelastung um einiges höher."
    Damit sieht er die Strahlenbelastung nur als negativ und keinesfalls als positiv - auch nicht etwa im Sinne dass sie (Zitat ihr Kommentar)das Leben beflügeln kann.

  7. Physiker Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr:

    Einen Wirkmechanismus zu vermuten ist nicht ausreichend. Reden wir weiter über dieses Thema sobald signifikante und von Störeinflüssen bereinigte Daten vorliegen, die einen reproduzierbaren und signifikanten Effekt belegen. Alles andere ist Wunschdenken.

  8. Joachim Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr

    " wenn sie meine Argumentation nicht stichhaltig finden, finden sie somit auch die dortige Argumentation nicht stichhaltig"

    So ist es.

  9. Joachim Antworten | Permalink

    Reparaturmechanismen

    Dass die Reparaturmechanismen auf Schädigungen der DNA reagieren, wundert mich nicht. Dazu sind sie da. Die Frage ist doch nur, ob das ein Vorteil für die Zelle ist, die Reaktion wird dazu beitragen, die Schäden in Grenzen zu halten. Die Hormesis-These geht aber darüber hinaus und behauptet, dass die Zelle mit schädigender Strahlung sogar besser dran ist als ohne. Dafür gibt es bisher keine eindeutigen Belege.

  10. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Repair more important than most think

    (Zitat): "In human cells, .... can cause DNA damage, resulting in as many as 1 million individual molecular lesions per cell per day"

    Die Aussage von Joachim: "Die allermeisten Schäden im Erbgut werden nicht durch Radioaktivität, sondern durch andere Noxen oder schlicht durch Fehler bei der Zellteilung ausgelöst. " stimmt sicher, wobei aber ebenso sicher ist, dass die Fehler bei der Zellteilung quantitativ weniger bedeutend sind im Vergleich zu den vielen andern Fehlern, die sich von Stunde zu Stunde, von Tag zu Tag einschleichen und von denen die meisten repariert werden. Dementsprechend wichtig sind DNA-Reparaturmechanismen und es gibt eine ganze Reihe von Erbkrankheiten, die mit Störungen des DNA-Reparaturmechanismus einhergehen und meist schwerwiegend sind, so zum Beispiel Xeroderma pigmentosum, Cockayne syndrome (UV-Empfindlichkeit),Trichothiodystrophy (Haut,Haar,Nägel), Fälle von Mental retardation, Werner's syndrome (vorzeitiges Altern), Bloom's syndrome (Sonnenlicht), Leukämie/Neoplasie-anfälligkeit, Ataxia telangiectasia (Empfl für Strahlung und Chemie).

    In diesem Zusammenhang ist der Artikel Evidence for formation of DNA repair centers and dose-response nonlinearity in human cells interessant, wo man liest:
    " Here, we provide strong evidence for the existence of repair centers. We used live imaging and mathematical fitting of RIF (RIF=radiation-induced foci) kinetics to show that RIF induction rate increases with increasing radiation dose, whereas the rate at which RIFs disappear decreases. We show that multiple DNA double-strand breaks (DSBs) 1 to 2 ?m apart can rapidly cluster into repair centers."

    Auch der Forschungsartikel DNA Repair and Cell Cycle Biomarkers of Radiation Exposure and Inflammation Stress in Human Blood - nur als Beispiel von dutzenden von ähnlichen Artikeln - zeigt, dass der Zusammenhang zwischen Dosis der ionisierenden Strahlung und DNA-Repair-Aktivität keinesfalls hypothetisch ist:
    "Radiation exposure significantly modulated the transcript expression of 12 genes of 40 tested, of which 8 showed no overlap between unirradiated and irradiated samples (CDKN1A, FDXR, BBC3, PCNA, GADD45a, XPC, POLH and DDB2). This panel demonstrated excellent dose response discrimination (0.5 to 8 Gy) in an independent human blood ex vivo dataset, and 100% accuracy for discriminating patients who received total body radiation"
    Und als abschliessenden Satz liest man sogar:
    " Our findings suggest that DNA repair gene expression may be helpful to identify biodosimeters of exposure to radiation, especially within high-complexity exposure scenarios."

  11. Liane Mayer Antworten | Permalink

    Mir fehlt da was

    "Analog dazu gibt es die Symmetrie des schwachen Isospin, die Elektron und Neutrino als dasselbe Teilchen mit verschiedenem Ladungszustand sieht"
    Oho, und wie ist das mit der Masse? Soviel mir bekannt ist, unterscheiden sich die Massen von Elektron und Neutrino doch ganz erheblich, wenn sie auch beide eher klein sind. Wie können sie also "dasselbe Teilchen" sein?
    Und wenn es heißt:"Das Anti-Neutrino wandelt sich dann in ein Positron (Antielektron) um" - wo nimmt das Anti - Neutrino die dafür nötige Masse her?
    Das würde mich echt interessieren!

  12. pikarl Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr

    Ich habe Joachim nichts in den Mund gelegt - ich schrieb (vielleicht zu undeutlich) von einem Paper, das ich dazu gelesen habe.

    Jenes meinte ich: http://arxiv.org/abs/astro-ph/9912564
    Da steht im Abstract: "The direct
    contribution of these “jolts” [der Strahlung durch GRBs] to mutational evolution may, however, be negligible because of the short duration of the GRBs. Evolutionary effects due to partial sterilizations and to longer-lived disruptions of atmospheric chemistry should be more important."

    Im Paper wird das genauer abgewogen - und kommt (anders als ich behauptete) zum gegenteiligen Ergebnis. GRB-Strahlung ist wohl zu gering, selbst wenn sie sonnennah von einem GRB ausgesendet werden würde. Für die Atmosphäre wäre es dagegen schlimmer - und würde so lebende Arten beeinträchtigen.

  13. Joachim Antworten | Permalink

    @Liane Mayer

    Die Masse bekommen die Teilchen nach dem aktuellen Standardmodell über ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Ich habe darüber schon in früheren Beiträgen geschrieben. Diese Wechselwirkung ist Isospin-Abhängig.
    Ob das Modell stimmt, wird sich in den nächsten Jahren herausstellen, wenn das kürzlich am CERN nachgewiesene Higgs-Boson und seine Wechselwirkungen mit den Leptonen genauer vermessen sind. Die Wechselwirkung müsste exakt proportional zur Masse sein.

    Was Ihre letzte Frage betrifft: Das Anti-Neutrino nimmt die (invariante) Masse aus der kinetischen Energie. Die Schwerpunktenergie des Gesamtprozesses ist Erhalten, aber die invarianten Massen der Produkte können durchauch anders sein als die der Ausgangsteilchen.

  14. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Proton tauscht Platz mit Neutron??

    Da es gemäss Quantentheorie Überlagerungen von Zustände geben kann, würde ich gefühlsmässig erwarten, dass der Betazerfall nicht die einzige Möglichkeit ist wie sich ein Neutron in ein Proton umwandeln kann. Ich könnte mir vorstellen, dass ein Neutron mit einem Nachbarproton eine Art Überlagerung ausbildet und anschliessend die beiden ihre Identität tauschen, aus dem Neutron also ein Proton wird und umgekehrt. Der Prozess würde also ohne Bewegung der beiden beteiligten Hadronen stattfinden sonder durch eine Art Swap.

    Ist diese Überlegung völlig abwegig oder kann so etwas tatsächlich stattfinden?

    Natürlich ist die Überlegung wahrscheinlich grundsätzlich falsch, denn eine eindeutige Lokation hat weder ein Neutron noch ein Proton in einem Kern. Allerdings scheint es auch eine Schalenanordnung von Nukleonen in einem Kern zu geben. Ich nehme aber an, dass das Pauli-Prinzip so etwas wie ich mir es vorstelle unmöglich macht.

  15. Joachim Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr

    "Ist diese Überlegung völlig abwegig oder kann so etwas tatsächlich stattfinden?"
    Diese Überlegung ist sogar goldrichtig. Durch den Austausch eines Pi-Mesons können Proton und Neutron ihre Rolle tauschen. So wird in erster Näherung die Starke Wechselwirkung zwischen den Nukleonen, also Protonen und Neutronen, beschrieben.

    Pionen gibt es mit einfacher positiver oder negativer Ladung und neutral. Der Austausch kann also auch zwischen Neutronen und zwischen Protonen stattfinden und ist unabhängig zwischen allen Nukleonen gleich stark. Es kommt also nicht darauf an, ob Ladung ausgetauscht wird.

    Dieser Platztausch-Prozess ist viel stärker als der Zerfall über die schwache Kernkraft und kann ein Atomkern aus Protonen und Neutronen so stabilisieren, dass die Neutronen nicht zerfallen.

  16. Cryptic Antworten | Permalink

    Elektrische Ladung von Neutronen

    1. Sie schreiben, dass Neutronen keine elektrische Ladung haben. Wenn das so wäre dann hätten sie auch kein magnetisches Moment.

    2. In Ihren Erklärungen haben Sie die Rolle des "Vakuums" komplett außer Acht gelassen (dass das "Vakuum" lebt ist schon lange kein Geheimnis).

  17. Balanus Antworten | Permalink

    Etwa eine Viertelstunde

    braucht es, dann zerfällt das freie Neutron spontan.

    Auf Wikipedia findet man die Angabe 880.1 ± 1.1 s. Plusminus eine Sekunde! Als Laie gewinnt man den Eindruck, man könne fast die Uhr nach diesem spontanen (!) Ereignis stellen. Gibt es auch Min- und Max-Werte für die Lebensdauer freier Neutronen? (Und wieviele Messungen werden denn für solche Daten üblicherweise gemacht?)

    Wieder mal ein schöner, informativer Beitrag, Danke!

  18. chris Antworten | Permalink

    @ JanG toller Text 29.05.2013, 10:37

    -> Schon interessant, was du über Asse erzählst. (Mehr Radioaktivität durch Salzförderung herrausgeholt, als später durch Einlagerung von "Müll" hinein gebracht).

    Die ganze Reizthematik der Endlagerung im Wendland empfinde ich als Farce und "tolle" Show. Faktisch ist auch die Befürchtung, dass Radioaktivität aus Asse etwa Trnkwasser "verseuchen" könnte, absurd. aber was tut man nicht alles für Schlagzeilen und Reaktion aus dem Äther.

    Trotzdem bin ich uneingeschränkt dafür, dass man den "Müll" nicht als "Schüttgut" einlagert, sondern gescheit und ordentlich stapelt - ein leichtes Herrausholen gewährleistet ist.

    ---
    @ Holzherr

    Das Radioaktivität eine Grundbedingung für die Entstehung von Leben sei, ist gar nicht so weit hergeholt. Es braucht immer Energie, um dazu notwendige chemische Reaktionen zu erzeugen. Und die kann durchaus von Radioaktivität geliefert worden sein.

    Ich habe auch Beobachtungen gemacht, die sonderbar erscheinen. Wir (Familie) kauften 1985 ein Ferienhaus in Nordeuropa. Auf dem Grundstück befinden sich viele Bäume. Heute haben alle Bäume an einer Seite einen erheblichen Moss- und Flechtenbewuchs. Der war damals mit sicherheit nicht vorhanden - die Bäume aber schon jahrzehnte existent. Auch das Haushat erst einige Jahre nach dem Kauf einen sonderbaren Bewuchs auf der Fassade zu entwickeln.

    Ich denke an Tchernobyl (das Haus liegt auch genau in der vermuteten Schneise der Ausbreitung). Es kann in meinen kühnsten Thesen auch an was anderem liegen.

    Zu beachten aber sei, dass die Entstehung von Leben was anderes sei, als das Leben selber und Radioaktivität für uns Menschen nicht so uneingeschränkt nützlich sei - sogar auch Schädlich sein kann. Gehen sie davon aus, dass auch die Art der Strahlung und dessen Leistung Relevant ist.
    Kalium 40 leistet bei jeder Aktivität zwischen 1,3 und 1,5 MeV - ich kann das gerade nicht einordnen - mir scheint es aber doch sehr niedrig. (Bei Plutonium sind es etwa 5 MeV). Ausserdem ist relevant, welches Element bei Aktivität entsteht.

    Radioaktive Strahlung ist sicher relevant und produktiv bei Entstehungsprozessen - nicht aber, wenn das leben selbst sich organisiert, sondern dann gerüchteweise für Mutationen sorgt.

    Angesichts solcher Visionen/Thesen sei gemutmaßt, dass der Neanderthaler (oder anderer Homo) nicht ausgestorben sein muß, sondern Mutiert ist und der Sapiens so entstanden ist. Andererseits spielt Mutation innerhalb der Generation nur eine Rolle bei Krankheit und Tod und führt wohl nicht zu einer Transformation.

  19. chris Antworten | Permalink

    Das Radioaktivität möglicherweise auch neuronal wirksam ist/sein kann, bedenkt angesichts der unserer subjektivität keiner?

    Und auch, dass neuronale Aktivität an sich noch immer ein Thema ohne allgemeine Kenntnis ist...!? Sie ist Bedingung unseres Bewusstseins.... Hallo? Fällt der Groschen?

  20. JanG Antworten | Permalink

    Stapeln und Stürzen im Endlager

    @Chris

    Das ist ein empfindliches Thema: die Rückholung. Soll der radioaktive Abfall rückholbar gelagert werden, oder eher nicht? Hier streiten sich die Fachleute seit langem und jede Seite hat gute Argumente.

    Allgemein wird aber in der Tat geplant, die Abfälle geordnet zu lagern so dass eine evtl. Rückholung leichter gemacht wird.

    Dass seinerzeit in der Asse auch die Sturztechnik angewendet wurde, liegt vor allem daran, dass dort verschiedene Konzepte geprobt wurden. So war man der Meinung, dass mit eben dieser Sturztechnik die Strahlenbelastung der Mitarbeiter deutlich verringert werden kann. Resultat: man kann. Dabei wurden aber eben auch die Fässer selber (die aber in diesem Fall fast ausschließlich schwachradioaktiven Abfall enthielten) teilweise irreparabel beschädigt, was eine heutige Rückholung stark erschwert.

  21. chris Antworten | Permalink

    @ JanG Stapeln und Stürzen im Endlager
    30.05.2013, 09:57

    -> Das ist Relevant: Müll und abgebrannte Brennstäbe ist nicht das selbe. Das eine ist Müll, das andere ist Rohstoff, der nur noch nicht verwendet/gebraucht wird.

    Bei beiden aber fehlt der Anreiz/die Motivation zur Entwicklung von effektiven Recyclingmethoden.

    Beim gegenwärtigen Bewusstseinszustand der Menschheit bedeutet "Endlager" nur eines: Aus den Augen, aus dem Sinn. Das Bauwerk aber, welches ewig leistet, was ein "Endlager" erfordern würde, hat noch kein Mensch jemals errichten können.
    Auch die derzeit dazu unzweifelhafteste Strategie der Granitformationen ist da nicht so unzweifelhaft für die Ewigkeit. Wer wollte es versichern wollen - oder gar beweisen können?

    Daran gemessen ist auch das Versenken im Schlick des Ozeangrundes eine ebenso sichere Strategie - da das Stückgut im Schlick mechanisch nicht so sehr belastet wird und der Schlick (im Lauf der Dinge) nur mehr wird / die Deckschicht mit der Zeit immer stärker wird.
    Nur, wer kann versichern, dass das Stückgut selbst stabil und intakt bleibt? Was allerdings aufgrund der stärker werdenden Deckschicht mit Schlick wohl gar nicht nötig sei. Die Stabilität des Schlicks besteht gerade darin, dass er sich flexibel immer wieder neu verschliesst, sollte es zu Brüchen kommen.

  22. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Pionenaustausch als effektive Theorie

    @Joachim: die Erklärung der starken Kraft - also der Anziehung zwischen benachbarten Nukleonen - als vermittelt durch den Austausch von Pionen wird heute ja nur noch als effektive Theorie gehandelt. Mit andern Worten: Sie entspricht nicht den "wirklichen" Verhältnissen und Vorgängen, sondern bietet nur eine plausible Erklärung, die nicht in offensichtlichem Widerspruch zu Bekanntem steht.

    Die "richtige" Erklärung für die starke Kraft basiert heute auf dem Austausch von Gluonen zwischen Quarks. Diese Auffassung der starken Kraft lokalisiert diese Kraft vor allem in ein Proton oder Neutron hinein und sieht die Anziehung zwischen Nukleonen (Protonen, Neutronen) nur noch als eine Restwechselwirkung, praktisch ein Überschwappen der Inter-Quark-Wechselwirkungen über Nukleongrenzen hinweg.

    Allerdings frage ich mich ob bei Quantenphänomenen der Unterschied zwischen einer effektiven Theorie und einer "wahren" Theorie nicht verschwimmt. Im Prinzip - denke ich mir - gibt es die Teilchen der "wahren" Theorie nur unter bestimmten experimentellen Bedingungen und auch die Teilchen der effektiven Theorie - die Pionen - könnte es unter einer bestimmten Betrachtungsweise durchaus geben. Wenn man eine Situation in der Quantenwelt auf zwei verschiedene Arten interpretieren kann, dann sind möglicherweise beide Arten der Betrachtung korrekt?

  23. Joachim Antworten | Permalink

    An alle

    Vielen Dank für all die Kommentare. Es sind so viele Diskussionen, die ich gerne im Detail führen würde, für die mir aber gerade ein bisschen die Zeit fehlt. Deshalb an auch alle:
    Vielen Dank für die Anregungen und Fragen, ich lese sie mit Interesse und werde sie als Anregung für spätere Blogartikel nehmen. So bringt bloggen Spass!

  24. Joachim Antworten | Permalink

    PS

    Damit möchte ich natürlich keine Diskussionen unter euch abblocken. Diskutiert hier gerne weiter, ich bitte nur um Verständnis, dass ich mich gerade nur lesend beteilige.

  25. Paulchen434 Antworten | Permalink

    Sehr lehrreich!

    Danke für diesen schönen Beitrag, hat mir sehr gut gefallen! Was hier auch später in den Kommentaren zu lesen war, ist sehr interessant gewesen! Freue mich schon auf die nächsten Beiträge!

  26. chris Antworten | Permalink

    @ Holzherr

    Interessant:

    Mutationen kann man auch mit Pleomorphie beschreiben/deuten. Dazu gibt es sogar wohl Erkenntnisse bei Einzellern und niederen Mikroben. Wenn nun Einzeller sich in einem Lebenscyclus verwandeln / verändern können, dann spielt das auch für den Menschen eine Rolle. Sowieso, wenn es um Krebs geht - aber auch, wenn Organie bildlich gesprochen "unterentwickelt" sind und dies etwa nur deswegen, weil der Lebensraum/Umwelteinflüsse es verhindern - entweder durch unzureichenden Support oder durch zu ungünstige Einflüsse im Sinne von Umweltgiften, die Organismen schädigen.

    Man stelle sich mal vor, dass wir alle noch unterentwickelt seien, weil wir uns eine zur vollständigen Entwicklung ungünstige Umwelt eingerichtet haben oder dieselbe einfach nicht dazu geeignet sei, dass jeder Problemlos und ungehindert sich vollständig entwickeln kann.

    Gerade ist ein Artikel in einem anderen Blog hier auf Scilogs.de bezüglich Bakterienkulturen im verdauungsakt, welche neuronale Aktivität beeinflussen sollen / mit neuronaler Aktivität korellieren.

    http://www.scilogs.de/...05-29/du-bist-was-du-isst

    Solcherlei Zusammenhang (der aber noch nicht deutlich erklärt ist) ist auf jeden Fall von ziemlich großer Bedeutung - auch im Zusammennhang mit Radioaktivität (die ja bekanntlich für Mutationen verantwortlich sein kann - vor allem bei niederen Organismen wie Bakterien). Die Symbiose von Mensch und Bakterien kann dadurch erheblich verändert werden. Dazu ist m.E. dannauch nicht unbedingt ein "pro-biotischer" Jughurt notwendig, weil nicht eine Zuführung von Fremdsymbionten stattfinden muß, sondern die Mutation (oder die Pleomorphie) im Körper des Menschen/Lebewesens stattfindet.

  27. chris Antworten | Permalink

    @ Holzherr

    Interessant:

    Mutationen kann man auch mit Pleomorphie beschreiben/deuten. Dazu gibt es sogar wohl Erkenntnisse bei Einzellern und niederen Mikroben. Wenn nun Einzeller sich in einem Lebenszyclus verwandeln / verändern können, dann spielt das auch für den Menschen eine Rolle. Sowieso, wenn es um Krebs geht - aber auch, wenn Organe bildlich gesprochen "unterentwickelt" sind und dies etwa nur deswegen, weil der Lebensraum/Umwelteinflüsse es verhindern - entweder durch unzureichenden Support oder durch zu ungünstige Einflüsse im Sinne von Umweltgiften, die Organismen schädigen (oder andere Einflüsse).

    Man stelle sich mal vor, dass wir alle noch unterentwickelt seien, weil wir uns eine zur vollständigen Entwicklung ungünstige Umwelt eingerichtet haben oder dieselbe einfach nicht dazu geeignet sei, dass jeder Problemlos und ungehindert sich vollständig entwickeln kann.

    Gerade ist ein Artikel in einem anderen Blog hier auf Scilogs.de bezüglich Bakterienkulturen im verdauungstrakt, welche neuronale Aktivität beeinflussen sollen / mit neuronaler Aktivität korellieren.

    http://www.scilogs.de/...05-29/du-bist-was-du-isst

    Solcherlei Zusammenhang (der aber noch nicht deutlich erklärt ist) ist auf jeden Fall von ziemlich großer Bedeutung - auch im Zusammennhang mit Radioaktivität (die ja bekanntlich für Mutationen verantwortlich sein kann - vor allem bei niederen Organismen wie Bakterien). Die Symbiose von Mensch und Bakterien kann dadurch erheblich verändert werden. Dazu ist m.E. dann auch nicht unbedingt ein "pro-biotischer" Jughurt notwendig, weil nicht eine Zuführung von Fremdsymbionten stattfinden muß, sondern die Mutation (oder die Pleomorphie) im Körper des Menschen/Lebewesens stattfindet.

  28. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    @ Chris: Jeder hat etwa 100 Mutationen

    Mutationen in der DNA sind normalerweise neutral und in wenigen Fällen, in denen sie sich auswirken, fast immer negativ. Ein Pleomorphisms - also eine angelegte Vielgestaltigkeit, die Organismen erlaubt sich chamäleonartig zu verwandeln - ist wenn schon das Resultat von Mutationen bei Vorfahren dieser Organismen, nämlich als Mutationen, die sich als vorteilhaft erwiesen haben und Teil der neuen Ausstattung des Organismus wurden.
    Gemäß Wikipedia gilt: Human mitochondrial DNA has been estimated to have mutation rates of ~3× or ~2.7×105 per base per 20 year generation (depending on the method of estimation); these rates are considered to be significantly higher than rates of human genomic mutation at ~2.5×108 per base per generation.Using data available from whole genome sequencing, the human genome mutation rate is similarly estimated to be ~1.1×108 per site per generation.
    Schlussfolgerung: Jedes Neugeborene hat etwa 100 bis 1000 neue Mutationen relativ zu seinen Eltern und jeder Mensch sammelt im Läufe seines Lebens viele Mutationen vor allem in seinen Mitochondrien an, wo der Energiestoffwechsel beheimatet ist. Das könnte mit eine Ursache des Alterungsprozesses sein, weswegen von Aktersforschern vom Schlage eines Aubrin de Grey vorgeschlagen wurde, mitochondriale Gene in die Kern-DNA zu verlagern.

    Während jeder Sekunde passieren aber hunderte von DNA- Strangbrüchen in ihrem Organismus und die werden von DNA- Reparaturmechanismen wieder gefixt. Fällt einer der vielen DNA- Reparaturmechanismen aus, führt dies oft zu schweren Erbleiden, die meist mit einer erhöhten Krebsanfälligkeit einhergehen. Ein gutes Beispiel ist die Krankheit Xeroderma pigmentosum, verantwortlich für die sogenannten Mondscheindkinder, bei denen UV- Schäden in der Haut-DNA nicht repariert werden, was zu schweren Hautschäden und früher Entwicklung von Hautkrebs führt.

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