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 einer speziellen Eigenschaft 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 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.

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 nahezu vollständig.

Annihilation findet nur zwischen Elektron und Positron statt. Treffen sonstige Teilchen und Antiteilchen aufeinander, beispielsweise Proton und Antiproton, so zerfallen sie zunächst bis auf die elementare Stufe von Elektronen und Positronen. Erst dann findet das endgültige 'Zerstrahlen' in Energie statt. Bei schweren Teilchen und Kernen ist es auch möglich, dass der Zerfallsprozess zum Stehen kommt, wenn eine Ebene stabiler Teilchen erreicht wird.

Paarbildung bei Teilchenreaktionen und radioaktiven Zerfällen

Die Paarbildung tritt bei einer Mindestenergie von 1,022MeV auf. Bei den meisten Kern- und Teilchenzerfällen wird diese Energie überschritten. Diese freiwerdende Energie kann unmittelbar im Zerfallsprozess eine Paarbildungen verursachen. Beispielsweise tritt die Positron-Emission (bzw. der β⁺-Zerfall) eines Kerns erst bei einer Zerfallsenergie ≥1,022MeV auf. Das ist ein eindeutiger Beweis dafür, dass dem β⁺-Zerfall eine Paarbildung zugrundeliegt, bei der das entstehende Elektron im Kern integriert wird, während das Positron entweicht. Dafür spricht auch, dass anstelle der Positron-Emission auch ein Elektroneneinfang stattfinden kann, was zum exakt gleichen Ergebnis für den Kern führt. Das Defizit des Kerns an Elektronen kann nur durch die Aufnahme eines Elektrons ausgeglichen werden, nicht aber durch die Abspaltung eines Positrons.

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 scheinbar unterschiedlichen Prozesse - der Einfang eines Elektrons und die Emission eines Positrons - sind identisch. Lediglich der Ursprung des vom Kern eingefangenen Elektrons ist unterschiedlich.