Elektroneneinfang

Ein Nebenmodus … konkurriert mit der Positronenemission

Positronenemission versus Elektroneneinfang
Die Emission eines Positrons und der Einfang eines Elektrons sind Zwillingsreaktionen, die beide zu einer Verringerung der Protonenzahl um 1 (von Z auf Z-1) und zur Erzeugung eines Neutrinos führen.Das Positron, das in der letzten Phase des Betazerfalls (oben) beobachtet wird, ist ein neues Teilchen, das die Energie von 0,511 MeV seiner Ruhemasse benötigt, um zu entstehen. Im Falle des Elektroneneinfangs (unten) gibt es keine solche Energieschwelle. In beiden Fällen wird praktisch die gesamte freigesetzte Energie von den leichten Teilchen getragen.
IN2P3

Elektroneneinfang ist ein vergleichsweise unbedeutender Zerfallsmodus, der durch die schwache Kraft verursacht wird. Das bekannteste Beispiel ist das von Kalium 40 : 11% der Kerne dieses Kaliumisotops, das in unserem Körper vorkommt, zerfallen durch Elektroneneinfang.
Der Einfang des Elektrons löst die Emission eines unsichtbaren Neutrinos durch den Kern aus.
Der Einfang eines Elektrons hat auf einen Kern die gleiche Wirkung wie die Emission eines Positrons: eines seiner Protonen verwandelt sich in ein Neutron, wodurch die elektrische Gesamtladung des Kerns um eine Einheit verringert wird. Der Elektroneneinfang ist zusammen mit dem Beta-Positiv-Zerfall die Art und Weise, wie die Natur sicherstellt, dass kein Kern zu protonenschwer wird.
Der ordinäre Beta-Minus-Zerfall hat auf der Erde jedoch keine Konkurrenz, um einen Überschuss an Neutronen abzubauen, da der Einfang von Positronen in einer Welt aus Antimaterie stattfinden würde.
Das eingefangene Elektron gehört zu der Gruppe von Elektronen, die um den Kern kreisen. Solche Einfänge erweisen sich als schwierig. Die meisten Elektronen umkreisen den Kern in größeren Abständen als der Kern selbst. Selbst die innersten Elektronen der K-Schicht sind weit von dem sehr kleinen Volumen des Kerns entfernt, in dem die für den Einfang verantwortlichen schwachen Kräfte wirken und das Elektron in ein Neutrino verwandeln. Dies erklärt, warum der Elektroneneinfang schwierig und daher selten ist.

Die Schwierigkeit des Elektroneneinfangs
Schwache Kräfte sind für die Positronenemission und den Elektroneneinfang verantwortlich. Der Elektroneneinfang kommt viel seltener vor als die Emission eines Positrons. Während der Betazerfall spontan eintreten kann, wenn dies energetisch möglich ist, erfordert der Elektroneneinfang aufgrund der schwachen Kräfte, dass das Elektron in engen Kontakt mit einem Proton des Kerns kommt. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Elektron, selbst wenn es der innersten K-Schale angehört, im Inneren des Kerns befindet, ist sehr gering (bei Kalium 40 beträgt das Volumen des Kerns weniger als ein Milliardstel des Volumens der K-Schale).
IN2P3

Dennoch ist der Elektroneneinfang energiesparender als die Positronenemission, sein Konkurrent. Für die Erzeugung eines Positrons werden 511 keV benötigt, die Massenenergie des Positrons. Ist die beim Zerfall freigesetzte Energie kleiner als 511 keV, ist die Emission eines Positrons (Beta-Plus-Zerfall) nicht erlaubt. Unterhalb dieser Energieschwelle ist der Elektroneneinfang das einzige Verfahren, um einen Überschuss an Protonen abzubauen.
Elektroneneinfang geht oft unbemerkt vonstatten, da das Neutrino, das die freigesetzte Energie abtransportiert, nicht nachgewiesen werden kann. Auch der zurückprallende Kern bewegt sich kaum, die wenigen Mikrometer, die er zurücklegt, sind zu klein, um beobachtet zu werden.
Diese Vorgänge würden unbemerkt bleiben, wenn es nicht die Umstrukturierung gäbe, die sowohl der Kern als auch die Elektronenhüllen durchlaufen. Normalerweise werden Elektronen aus der inneren K-Schicht eingefangen, wobei „Löcher“ zurückbleiben. Ein Atom mit einer Lücke in seiner Elektronenstruktur ordnet sich neu und sendet dabei Röntgenstrahlen oder Auger-Elektronen aus. Ein solcher Einfang kann auch dazu führen, dass sich der Kern in einem angeregten Zustand mit höherer Energie als im Grundzustand befindet, was zur Freisetzung von Gammastrahlen führt.
Daher ist der Elektroneneinfang als besondere Zerfallsart sehr schwer nachzuweisen. Dieser besondere Zerfallsmodus wurde erst 1937 von dem amerikanischen Physiker Luis Alvarez (1911-1988) entdeckt, etwa vierzig Jahre nach der Entdeckung der beta-negativen Radioaktivität und nur wenige Jahre nach der Beobachtung des Positronen- und des beta-positiven Zerfalls.
Luis Alvarez, ein Physik-Nobelpreisträger, hatte eine lange und brillante Karriere als Physiker. Weit entfernt vom Elektroneneinfang schlug er beispielsweise 1980 eine heute berühmte Erklärung für das Aussterben der Dinosaurier vor, indem er behauptete, es sei durch einen Asteroiden verursacht worden, der vor etwa 160 Millionen Jahren mit der Erde kollidierte.
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