Wiener Physiker untersuchten, wie radioaktive Prozesse durch Elektronen beeinflusst werden.
In der (äußersten) Elektronenhülle der Atome, da spielt sich die Chemie ab – weit weg vom Atomkern, mit dem hat die Chemie nichts zu tun, denn dort regieren finstere, radioaktive Kernkräfte, dort zerfallen die Protonen und Neutronen, sodass sich gar – wie unchemisch! – ein Element in ein anderes verwandelt, z.B. Quecksilber in Gold...
Das sagt unsere (Mittel-)Schulweisheit, und sie hat im Alltag Recht. Anderseits haben radioaktive Prozesse sehr wohl mit Elektronen zu tun: Beim ?–-Zerfall entsteht ein Elektron (nach dem Schema: Neutron = Proton + Elektron + Antineutrino), beim Elektroneneinfang (Proton + Elektron = Neutron + Neutrino) wird eines verbraucht.
Elektronen aus innerster Schale
Das Elektron, das beim Elektroneneinfang vom Kern verschlungen wird, stammt freilich nicht aus der äußersten Elektronenschale, sondern aus einer sehr nahe am Kern, meist der innersten, der K-Schale. Aber die Lücke, die es hinterlässt, wird von äußeren Elektronen nachbesetzt.
Wenn solche vorhanden sind. Die Praseodym-Atome (des Isotops 140Pr), die ein internationales Physikerteam – darunter Physiker vom Wiener Stefan-Meyer-Institut – nun (am Ionenspeicherring der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt) untersuchte, haben keine (mehr), ihnen wurden (fast) alle Elektronen „abgestreift“, durch sehr hohe Beschleunigung und Zusammenprall mit einer Kupferfolie. So wurden sie radikal ionisiert: Den Pr-Atomen mit ihren 59 Protonen blieben nur mehr zwei Elektronen (Pr57+) oder eines (Pr58+) oder gar keines (Pr59+). Wenn in einem solchen Pr-Atom, das man nun besser Ion nennt, ein Elektron aus der K-Schale mit einem Proton reagiert, dann hat der entstehende Atomkern ein Proton weniger, ist also kein Praseodym mehr, sondern ein Cer (das ebenfalls zu den seltenen Erden gezählt wird).
Beim Pr59+-Ion kann ein solcher Elektroneneinfang nicht passieren, einfach weil es keine Elektronen hat. Doch man kann fragen: Welches der Pr-Ionen neigt eher zum Elektroneneinfang, das mit zwei Elektronen oder das mit einem? Das mit zwei Elektronen, einfach weil das Angebot größer ist, sagt der Physiker-Hausverstand. Gemessen wurde das Gegenteil: Pr58+-Ionen nehmen (im Durchschnitt) 1,5 Mal so schnell ein Elektron auf wie Pr57+-Ionen.
Die Arbeit der Physiker (Physical Review Letters, 99, S.262501) besticht auch dadurch, dass sie dieses Ergebnis ziemlich einfach erklären können. Es liegt am Spin der Kerne und Elektronen – und am Pauli-Verbot, das besagt, dass nie zwei Elektronen in derselben Schale den gleichen Spin haben dürfen. Man muss nur ein bisschen mit simplen Brüchen (-1/2, +1/2 usw.) rechnen und kommt auf den Faktor 1,5.
Zerfälle wie im Plasma von Sternen
Was soll das Experiment? Ein völlig seiner äußeren Elektronen beraubtes Atom, das kommt doch in der Natur kaum vor? Auf der Erde nicht, wohl aber im – hoch ionisierten – Plasma von Sternen. „Die neuen Erkenntnisse erlauben es, Vorgänge zu erklären, die in Sternen ablaufen“, sagt Paul Kienle vom Stefan-Meyer-Institut.
Ein Beispiel ist Dysprosium, ebenfalls ein recht schweres Element: Das Isotop 163Dy ist an sich stabil gegen radioaktiven Zerfall, wenn es aber aller seiner Elektronen entledigt ist, dann zerfällt es radioaktiv (mit einer Halbwertszeit von 43 Tagen), zu Holmium 163Ho: Ein Neutron wird zum Proton (?+-Zerfall), das entstehende Elektron kann in die leere K-Schale aufgenommen werden.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 09.02.2008)