Elektroneneinfang

Grundprinzip

Elektroneneinfang ist eine Form der Radioaktivität und gehört zur Beta-Radioaktivität. Ein Atomkern fängt dabei ein Elektron aus einer inneren Schale beziehungsweise einem Orbital seiner Elektronenhülle ein. Durch die schwache Wechselwirkung wird eines seiner Protonen in ein Neutron umgewandelt. Der Kern wird dadurch meist stabiler.

Die Ordnungszahl, also die Zahl der Protonen, sinkt um eins. Die Massenzahl, also die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen, bleibt unverändert. Als Formelsymbol werden EC oder der griechische Buchstabe ε verwendet. Der Elektroneneinfang erzeugt dasselbe Tochternuklid wie der Beta-plus-Zerfall desselben Mutterkerns. Er spielt außerdem eine wichtige Rolle bei der Bildung von Neutronensternen.

Teilchen- und Energieumwandlung

Die grundlegende Reaktion lautet:

p + e⁻ → n + νₑ

Ein Proton p nimmt ein Elektron e⁻ auf und wird zu einem Neutron n. Gleichzeitig wird ein Elektron-Neutrino νₑ abgegeben. Dadurch bleiben sowohl die elektrische Ladung als auch die Leptonenzahl erhalten. Der Kern gewinnt zusätzlich die Ruheenergie des eingefangenen Elektrons.

Als alternativer Zerfallskanal kann ein Beta-plus-Zerfall auftreten. Dabei wird kein Elektron aufgenommen, sondern ein Positron erzeugt. Dieser Vorgang ist nur möglich, wenn die Umwandlungsenergie – die in Energie umgerechnete Differenz der Atommassen von Mutter- und Tochternuklid – mindestens 1022 keV beträgt. Diese Energie entspricht der Ruheenergie des „überzähligen“ Elektrons im Mutteratom und des Positrons. Daher tritt bei jedem Nuklid, das Positronen emittiert, auch Elektroneneinfang auf. Umgekehrt ist Elektroneneinfang auch möglich, wenn die Energie für einen Beta-plus-Zerfall nicht ausreicht.

Die durch die Kernumwandlung frei werdende Energie entspricht der Massenänderung des Kerns, vermindert um die Bindungsenergie des eingefangenen Elektrons. Ein Teil kann zunächst als Anregungsenergie im Tochterkern verbleiben. Der übrige Teil verteilt sich wegen der Impulserhaltung als kinetische Energie auf das Neutrino und den zurückstoßenden Kern. Wegen seiner sehr kleinen Masse erhält das Neutrino nahezu die gesamte verfügbare kinetische Energie.

Je nach Energieniveau, in dem der Tochterkern zurückbleibt, besitzen die Neutrinos bestimmte einzelne Energien. Sie bilden deshalb ein diskretes Energiespektrum oder Linienspektrum. Geht ein angeregter Tochterkern danach in seinen Grundzustand über, gibt er die verbliebene Energie als Photon in Form von Gammastrahlung ab.

Elektronenschalen und Folgeprozesse

Elektronen der K-Schale besitzen die größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort des Atomkerns. Deshalb stammen etwa 90 Prozent der eingefangenen Elektronen aus dieser innersten Schale. Dieser Vorgang heißt K-Einfang. Der seltenere Einfang aus höheren Schalen wird als L-Einfang beziehungsweise M-Einfang bezeichnet. Gelegentlich wird „K-Einfang“ ungenau für jeden Elektroneneinfang verwendet; deshalb erscheint manchmal K anstelle von EC oder ε als Formelzeichen.

Nach dem Einfang bleibt in der inneren Elektronenschale ein unbesetzter Zustand, ein sogenanntes Loch, zurück. Ein Elektron aus einer äußeren Schale füllt ihn wieder auf. Die dabei frei werdende Energie wird entweder spontan als Röntgen-Photon ausgesendet oder als kinetische Energie auf ein Auger-Elektron übertragen, das anschließend das Atom verlässt.

Zerfallswahrscheinlichkeit

Wie die innere Konversion gilt der Elektroneneinfang als eine Art der Radioaktivität. Seine Wahrscheinlichkeit hängt jedoch nicht nur von den inneren Eigenschaften des Mutterkerns ab, sondern auch von der Elektronenhülle. Entscheidend ist insbesondere die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen am Ort des Kerns.

Da chemische Bindungen die Elektronenhülle beeinflussen, können sie auch die Zerfallswahrscheinlichkeit und damit die Halbwertszeit geringfügig verändern. Experimentell wurden Änderungen bis zur Größenordnung von Prozent beobachtet.

Typische Zerfälle und Sonderfall

Beispiele für Nuklide, bei denen Elektroneneinfang neben dem Beta-plus-Zerfall vorkommt, sind:

• ²⁶₁₃Al + e⁻ → ²⁶₁₂Mg + νₑ • ⁵⁹₂₈Ni + e⁻ → ⁵⁹₂₇Co + νₑ • ¹³₇N + e⁻ → ¹³₆C + νₑ • ¹⁸₉F + e⁻ → ¹⁸₈O + νₑ • ¹¹⁰₄₉In + e⁻ → ¹¹⁰₄₈Cd + νₑ

Beim Bleiisotop ²⁰⁵Pb tritt Elektroneneinfang auf, aber kein Beta-plus-Zerfall:

²⁰⁵₈₂Pb + e⁻ → ²⁰⁵₈₁Tl + νₑ

Bei einigen Nukliden ist Elektroneneinfang neben Beta-minus- und Beta-plus-Zerfall ein dritter Zerfallskanal. Kalium-40 zerfällt zu 11 % durch Elektroneneinfang zu Argon-40:

⁴⁰₁₉K + e⁻ → ⁴⁰₁₈Ar + νₑ

Zu 89 % erfolgt ein Beta-minus-Zerfall zu Calcium-40:

⁴⁰₁₉K → ⁴⁰₂₀Ca + e⁻ + ν̄ₑ

Der Beta-plus-Zerfall zu Argon-40 besitzt lediglich einen Anteil von 0,001 %:

⁴⁰₁₉K → ⁴⁰₁₈Ar + e⁺ + νₑ

Ein Sonderfall ist der doppelte Elektroneneinfang, der dem doppelten Betazerfall entspricht und 2019 erstmals beobachtet wurde. Dabei fängt ein Kern zwei Elektronen ein. Für Xenon-124 lautet die Reaktion:

¹²⁴₅₄Xe + 2 e⁻ → ¹²⁴₅₂Te + 2 νₑ