Doppelter Elektroneneinfang

Der doppelte Elektroneneinfang ist eine Möglichkeit des radioaktiven Zerfalls eines Atomkerns. Für ein Nuklid (A, Z) mit der Zahl A der Nukleonen und der Ordnungszahl Z ist ein doppelter Elektroneneinfang nur möglich, wenn die Masse des Nuklids (A, Z − 2) kleiner ist.^[1] Er ist mit dem doppelten Betazerfall verwandt.^[2]

Auf diesem Zerfallsweg werden zwei Orbital-Elektronen von zwei Protonen des Atomkerns eingefangen und es entstehen zwei Neutronen. Dabei werden zwei Neutrinos freigesetzt. Da die Protonen in Neutronen umgewandelt werden, erhöht sich die Anzahl der Neutronen um 2, die Anzahl der Protonen Z verringert sich um 2 und die Atommasse A bleibt unverändert. Durch Änderung der Protonenzahl entsteht bei doppeltem Elektroneneinfang das Nuklid eines anderen Elements.

Beispiel:

\mathrm {{}_{36}^{78}Kr} +\mathrm {2\,e^{-}} \rightarrow \mathrm {{}_{34}^{78}Se} +{2\,\nu _{e}}

Zumeist ist dieser Zerfallsweg von wahrscheinlicheren Wegen (z. B. einzelner Elektroneneinfang) überdeckt. Aber wenn diese Zerfallswege verboten oder stark unterdrückt sind, dann wird der doppelte Elektroneneinfang der Hauptzerfallsweg. Es gibt 35 natürlich vorkommende Isotope bei denen theoretisch der doppelte Elektroneneinfang auftreten kann (ebenso wie beim doppelten Betazerfall).^[1]^[2] Trotzdem konnte der Vorgang erst in jüngster Zeit experimentell nachgewiesen werden. Ein Grund dafür ist, dass die Wahrscheinlichkeit des doppelten Elektronenzerfalls ungeheuer klein ist. Die Theorie sagt eine Halbwertszeit für diesen Zerfallsweg von über 10²⁰ Jahre voraus.^[3] Der zweite Grund ist, dass die einzigen nachweisbaren Teilchen hierbei $\gamma$ -Quanten und Augerelektronen, die aus der Atomhülle emittiert werden, sind. In diesem Energiebereich (wenige keV) ist das Hintergrundrauschen deutlich höher. Daher ist der experimentelle Nachweis schwieriger als der des doppelten Betazerfalls.

Wenn der Massenunterschied zwischen Mutter- und Tochter-Atom mehr als zwei Elektronenmassen (1,022 MeV) beträgt, ist die entstehende Energie groß genug, um einen den Elektroneneinfang mit Positronen-Emission zu ermöglichen.^[4] Er passiert gleichzeitig zu dem doppelten Elektroneneinfang. Das Verhältnis der Häufigkeiten der beiden Zerfallswege hängt von den Eigenschaften des Atomkerns ab. Wenn die Massendifferenz mehr als 4 Elektronenmasse (2,044 MeV) beträgt, wird ein dritter Zerfallsweg – der doppelte Positronenzerfall – möglich. Nur 6 natürlich vorkommende Nuklide können über alle drei Wege zerfallen.^[5]

Neutrinoloser doppelter Elektroneneinfang

Der oben beschriebene Vorgang mit dem Einfang zweier Elektronen und der Emission zweier Neutrinos ist durch das Standardmodell der Elementarteilchenphysik erlaubt, denn es werden keine Erhaltungssätze (die Erhaltung der Leptonenzahl eingeschlossen) verletzt.

Jedoch könnte, wenn die Leptonenzahl nicht erhalten wäre, ein anderer Vorgang auftreten: Die entstehende Energie wird innerhalb des Kerns als Bremsstrahlung (Gammastrahlung) freigesetzt und es werden keine Neutrinos ausgesandt. Dieser Zerfallsweg konnte experimentell bisher nicht nachgewiesen werden. Er würde dem Standardmodell widersprechen.^[6]

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 B. R. Martin: Nuclear and Particle Physics An Introduction. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-1-119-96511-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
↑ ^2,0 ^2,1 Michele Barone: Astroparticle, Particle and Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications Proceedings of the 9th Conference : Villa Olmo, Como, Italy, 17-21 October 2005. World Scientific, 2006, ISBN 981-256-798-4, S. 169 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
↑ V. K. B Kota, R. Sahu: Structure of Medium Mass Nuclei Deformed Shell Model and Spin-Isospin Interacting Boson Model. CRC Press, 2016, ISBN 978-1-351-73693-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
↑ Axel Frotscher: Doppelter Beta-Zerfall von ⁵⁸Ni. Dresden 2015.
↑ C. Sáenz, E. García u. a.: Results of a search for double positron decay and electron-positron conversion of 78Kr. In: Nuclear Physics B - Proceedings Supplements. 35, 1994, S. 363, doi:10.1016/0920-5632(94)90277-1.
↑ H. V. Klapdor-Kleingrothaus, I. V Krivosheina, R. Viollier: Physics Beyond the Standard Models of Particles, Cosmology and Astrophysics. World Scientific, 2011, ISBN 978-981-4460-75-0, S. 267 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[B._R._Martin-1] 1,0 ^1,1 B. R. Martin: Nuclear and Particle Physics An Introduction. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-1-119-96511-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[Michele_Barone-2] 2,0 ^2,1 Michele Barone: Astroparticle, Particle and Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications Proceedings of the 9th Conference : Villa Olmo, Como, Italy, 17-21 October 2005. World Scientific, 2006, ISBN 981-256-798-4, S. 169 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[V._K._B_Kota,_R._Sahu-3] V. K. B Kota, R. Sahu: Structure of Medium Mass Nuclei Deformed Shell Model and Spin-Isospin Interacting Boson Model. CRC Press, 2016, ISBN 978-1-351-73693-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[Axel_Frotscher-4] Axel Frotscher: Doppelter Beta-Zerfall von ⁵⁸Ni. Dresden 2015.

[DOI10.1016/0920-5632(94)90277-1-5] C. Sáenz, E. García u. a.: Results of a search for double positron decay and electron-positron conversion of 78Kr. In: Nuclear Physics B - Proceedings Supplements. 35, 1994, S. 363, doi:10.1016/0920-5632(94)90277-1.

[H._V._Klapdor-Kleingrothaus,_I._V_Krivosheina,_R._Viollier-6] H. V. Klapdor-Kleingrothaus, I. V Krivosheina, R. Viollier: Physics Beyond the Standard Models of Particles, Cosmology and Astrophysics. World Scientific, 2011, ISBN 978-981-4460-75-0, S. 267 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

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