Elektron und Positron

Diese beiden Teilchen sind sozusagen die elementaren Geschwister in der Teilchenwelt. Sie sind unteilbar, zerfallen nicht und unterscheiden sich nur im Vorzeichen ihrer elementaren Ladung. Das Elektron war das erste Teilchen, welches überhaupt nachgewiesen wurde. Der Nachweis des Positrons erfolgte erst 1932 in der kosmischen Strahlung. Warum es auf der Erde nicht überlebt, liegt an den Eigenschaften dieses 'Geschwisterpaares'.

Einige Eigenschaften des elementaren Geschwisterpaares

Elektron und Positron sind elementar im Sinne des Wortes: Sie sind stabil und im Gegensatz zu allen anderen realen Teilchen nicht weiter zerlegbar. Treffen allerdings ein Elektron und ein Positron aufeinander, bilden sie für kurze Zeit ein sogenanntes "Positronium" und zerstrahlen (annihilieren) dann zu Energie in Form elektromagnetischer Strahlung, kurz γ. Auch der umgekehrte Fall ist möglich: Aus elektromagnetischer Energie γ entsteht ein Elektron-Positron-Paar (Paarbildung). Die Annihilation mit Elektronen ist auch der Grund, warum Positronen sehr schnell nach ihrem Entstehen wieder verschwinden.

Die Masse des Elektrons und somit auch des Positrons beträgt 0,511MeV. Bei ihrer Annihilation wird also ein Energiebetrag von 2×0,511MeV=1,022MeV frei. Umgekehrt findet die Paarbildung erst dann statt, wenn die zur Verfügung stehende Energie mindestens 1,022MeV erreicht.

Abb. 2.1.1: Annihilation und Paarbildung sind entgegengesetzte Prozesse

Annihilation und Paarbildung sind Prozesse, die auf der elementarsten Stufe der Teilchenwelt stattfinden. Hier entsteht einerseits stoffliche Materie aus Energie, andererseits wird stoffliche Materie in Energie umgwandelt. Die fundamentale Bedeutung beider Prozesse entzieht sich dem Gedankenkreis heutiger Physik (fast) vollständig.

Annihilation findet nur zwischen Elektron und Positron statt. Treffen andere Teilchen und Antiteilchen aufeinander, zerlegen sie zunächst bis auf diese elementare Stufe und erst dann findet das 'Zerstrahlen' in Energie statt, sofern die Teilchenzerfälle nicht beim Entstehen stabiler Teilchen abbrechen.

Paarbildung bei Teilchenreaktionen und radioaktiven Zerfällen

Die Paarbildung tritt bei einer Mindestenergie von 1,022MeV auf. Die Mehrzahl der Kern- und Teilchenzerfälle erreichen oder überschreiten diesen Energiebetrag, der in Form von γ-Strahlung frei wird. Diese energiereiche γ-Strahlung kann im Ablauf des Zerfallsprozesses eine Paarbildungen verursachen. Betrachtet man die Positron-Emission (bzw. β+-Zerfall) von instabilen Kernen, muss das als Beweis dieser Aussage gelten. Die Positron-Emission wird erst bei einer Zerfallsenergie ≥1,022MeV beobachtet. In Konkurrenz zum β+-Zerfall steht der Elektron-Einfang durch den Kern, der bereits bei sehr geringer Zerfallsenergie weit unter 1,022MeV stattfindet. Das Defizit des Kerns an Elektronen wird hierbei durch den Einfang eines (äußeren) Elektrons ausgeglichen.

Abb. 2.1.2: Elektroneinfang vs. Positronemission

Die Ursache der Positron-Emission ist eine 'verdeckte' Paarbildung. Das dabei entsehende Elektron wird analog dem Elektron-Einfang vom Kern 'eingefangen', während das überzählige Positron emittiert wird. Beide bei äußerer Betrachtung unterschiedlichen Prozesse - einmal der Einfang eines Elektrons, zum anderen die Emission eines Positrons - sind im Grunde gleich. Lediglich die Herkunft des eingefangenen Elektrons ist unterschiedlich. Die in der gegenwärtigen Physik geltenden Theorien sind auch hier meilenweit entfernt von Erkenntnis.