Elektronen-Einfang

Elektroneneinfang

Elektroneneinfang (engl: electron capture - EC) ist eine Art der Radioaktivität, bei der ein Atomkern eine stabilere Kernkonfiguration erreicht, indem er ein Elektron aus einer inneren Schale (Orbital) der Elektronenhülle einfängt. Der Elektroneneinfang wurde 1935 von Hideki Yukawa theoretisch vorhergesagt und ist 1937 erstmals von Luis Walter Alvarez experimentell nachgewiesen worden. Der Prozess wird durch die schwache Wechselwirkung vermittelt und gehört zur Beta-Radioaktivität. Er konkurriert mit dem Beta-plus-Zerfall.

Beschreibung

Da die Elektronen der K-Schale die größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort des Atomkerns haben, fängt der Atomkern in ca. 90 Prozent der Fälle ein Elektron aus der K-Schale ein. Diesen Elektroneneinfang bezeichnet man als K-Einfang. Der seltenere Elektroneneinfang aus höheren Schalen wird entsprechend L-Einfang bzw. M-Einfang genannt.

Bisweilen wird der Elektroneneinfang auch Epsilonzerfall genannt.

Der Elektroneneinfang ermöglicht den Ladungserhalt bei der Umwandlung eines Protons in ein Neutron unter Erhaltung der Massezahl des Kerns und der Abgabe eines Neutrinos.

$\mathrm{p}+ \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_e$

Er tritt bei instabilen Nukliden mit hoher Protonenzahl und verhältnismäßig geringer Neutronenzahl auf, insbesondere bei solchen, bei denen der Energiegewinn der Umwandlung nicht für einen Beta-plus-Zerfall (Erzeugung eines Positrons) ausreicht.

Die durch die Kernumwandlung frei werdende Energie wird an das Neutrino abgegeben (entweder komplett oder ein Teil verbleibt im Kern). Die Maximalenergie des Neutrinos ergibt sich daher aus der Bindungsenergie des eingefangenen Elektrons und nach E = mc² aus dem Massenunterschied des Kerns vor und nach der Umwandlung. Der durch die Umwandlung entstandene Kern kann in einem angeregten Zustand verbleiben, wenn nicht die gesamte Energie an das Neutrino abgegeben wird. Dies führt zu einem diskreten Energiespektrum für die Neutrinoemission (endlich viele feste Energiewerte). Der Grund dafür ist, dass der Kern nach der Quantenmechanik nur bestimmte feste Anregungsenergien (siehe Energieniveau) aufnehmen kann. Geht ein angeregter Atomkern schließlich in den Grundzustand über, wird die verbliebene Energie als Photon (Gammastrahlung) abgegeben.

Das durch das eingefangene Elektron entstandene Loch in der tief gelegenen Schale der Elektronenhülle wird durch ein Elektron aus einer höheren Schale wieder besetzt (Spontane Emission). Die dabei frei werdende Energie wird als Photon (Röntgenstrahlung aus dem Spektrum des neu entstandenen Elements) oder als Auger-Elektron abgestrahlt.

Beispiele

$\mathrm{{}^{26}_{13}Al}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{26}_{12}Mg}+{\nu}_e$

$\mathrm{{}^{59}_{28}Ni}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{59}_{27}Co}+{\nu}_e$

$\mathrm{{}^{13}_{7}N}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{13}_{6}C}+{\nu}_e$

$\mathrm{{}^{18}_{9}F}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{18}_{8}O}+{\nu}_e$

$\mathrm{{}^{110}_{49}In}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{110}_{48}Cd}+{\nu}_e$

$\mathrm{{}^{205}_{82}Pb}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{205}_{81}Tl}+{\nu}_e$

Elektroneneinfang als Konkurrenz zu β ^- - oder β ⁺ -Zerfall

$\mathrm{{}^{40}_{19}K}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{40}_{18}Ar}+{\nu}_e \quad \mathrm{(Anteil:\ 11\,%)}$

$\mathrm{{}^{40}_{19}K} \rightarrow\mathrm{{}^{40}_{20}Ca}+\mathrm{e}^- +\overline{{\nu}_e} \quad \mathrm{(Anteil:\ 89\,%)}$

$\mathrm{{}^{40}_{19}K}\rightarrow\mathrm{{}^{40}_{18}Ar}+\mathrm{e}^+ +{\nu}_e \quad \mathrm{(Anteil:\ 0{,}001\,%)}$

Siehe auch

• Radioaktivität
• Kernchemie
• Zerfallsreihe
• Isotopenkarte