Techniklexikon

kritische Kernladung

Ladung eines fiktiven Atomkernes, für den die Bindungsenergie des elektronischen 1s_{1 / 2}-Zustandes äquivalent zur zweifachen Massenenergie des Elektrons von 2m_ec² = 1,022 MeV wird. Zur Vermeidung der Singularität der Dirac-Gleichung bei Z = 137 für eine punktförmige Ladungsverteilung wird realistischerweise eine endliche Kernausdehnung entsprechend einem Kernradius R = 1,2 fm × A^{1 / 3} angenommen. Bei weiterer Erhöhung der Kernladung wird das System bei unbesetzter 1s_{1 / 2}-Schale instabil gegen Positronenemission, was als Bildung eines Elektron-Positron-Paares bei gleichzeitigem Einfang des Elektrons in die 1s_{1 / 2}-Schale entspricht. Der überkritische elektronische Zustand bildet in dem negativen Energiekontinuum der Lösungen der Dirac-Gleichung einen Resonanzzustand aus. Im Rahmen der Quantenelektrodynamik wird dies als Zerfall des elektrisch neutralen physikalischen Vakuumzustandes in einen lokal geladenen Vakuumzustand verstanden. Dieses Phänomen überkritisch starker elektrischer Felder steht im Zusammenhang mit dem Kleinschen Paradoxon der Dirac-Gleichung. Ein Atomkern mit Ladung Z ³ 137 existiert in der Natur nicht. Im Experiment kann diese Situation kurzzeitig für etwa 10^-21 s im Stoss zweier schwerer Kerne mit einer gemeinsamen Ladung Z_g ³ 178 durch Ausbildung eines Quasiatoms realisiert werden.