Neutronenüberschuss

Neutronenüberschuss (engl. neutron excess) nennt man in der Kernphysik die Differenz zwischen Neutronenzahl N und Protonenzahl Z eines Atomkerns. Das Symbol ist NUe oder international NE.

Definition

Der Neutronenüberschuss ist definiert als

<math>NE = N - Z</math>.

Da für die Massenzahl A gilt <math>A = N + Z </math>, wird der Neutronenüberschuss gleichbedeutend auch definiert als:<ref>Karl Heinrich Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2nd, revised edition, Wiley-VCH 2001, ISBN 3-527-30317-0, Seite 9</ref>

<math>\Rightarrow NE = A - 2Z</math>.

Als relativen Neutronenüberschuss bezeichnet man die Abweichung normiert auf die Ladungszahl:

<math>NE_\text{rel} = \frac{NE} Z = \frac N Z - 1 = \frac A Z - 2</math>.

Auswirkung auf die Stabilität von Atomkernen

Datei:Nuklidkarte Banane.png

Nuklidkarte mit radioaktiven Zerfallsarten:
schwarz = stabil,
rosa = β⁻-Zerfall wegen Neutronenüberschusses,
blau = EC- oder β⁺-Zerfall wegen Protonenüberschusses,
gelb = Alphazerfall

Nur zwei stabile Nuklide (¹H und ³He) haben negativen Neutronenüberschuss, nur dreizehn weitere leichte Nuklide (das schwerste davon ist ⁴⁰Ca) einen Überschuss Null. Ansonsten ist der Neutronenüberschuss stabiler Atomkerne positiv und steigt mit wachsender Massenzahl A an.

Das Bild (eine Nuklidkarte) zeigt, wie sich das Verhältnis von Neutronen- zu Protonenzahl auf die Stabilität eines Atomkerns auswirkt:

• Die stabilen, also nicht radioaktiven Nuklide sind als schwarze Felder eingezeichnet. Sie reichen von Wasserstoff (¹H) links unten bis zum Blei (²⁰⁸Pb) deutlich vor dem Ende rechts oben. Die Orte dieser Nuklide bilden eine schwach gekrümmte „Banane“ mit mehreren Lücken bei bestimmten Protonen- oder Neutronenzahlen. Beispielsweise gibt es keine stabilen Kerne mit Protonenzahl Z=43 (Technetium) oder Z=61 (Promethium).
• Rechts davon – im violetten Gebiet – findet man die Nuklide mit relativ hohem Neutronenüberschuss. Sie sind radioaktiv, der Überschuss wird meist durch β⁻-Zerfall abgebaut.
• Links davon – im blauen Gebiet – herrscht Mangel an Neutronen (statt als Neutronenmangel kann man das auch als Protonenüberschuss bezeichnen). Auch diese Nuklide sind radioaktiv, sie unterliegen dem β⁺-Zerfall oder dem Elektroneneinfang.
• Enthält der Kern mehr als 82 Protonen, so ist er in jedem Fall instabil.

Datei:Neutronenüberschuss-3.png

 Rot : Relativer Neutronenüberschuss stabiler Nuklide. Er steigt etwa linear mit der Ordnungszahl an. ¹H und ³He mit −1 bzw. −½ liegen außerhalb der Skala
 Grün : Relativer Neutronenüberschuss schwererer, radioaktiver, „relativ stabiler“ Nuklide. Hier fällt der relative Neutronenüberschuss wieder etwas ab

Auswirkung bei der Kernspaltung

Die Massenabhängigkeit des relativen Neutronenüberschusses erklärt, warum Spaltprodukte in der Regel Beta-minus-Strahler sind. Der hohe Neutronenüberschuss eines Kerns wie etwa U-235 findet sich nach der Kernspaltung in seinen Bruchstücken (den Spaltfragmenten) wieder; diese enthalten daher für ihre Kernmasse zu viele Neutronen. Der Überschuss wird stufenweise durch drei Prozesse abgebaut:

• direkte Emission prompter Neutronen innerhalb von 10⁻¹⁴ Sekunden nach dem Zerfall;
• verzögerte Neutronenemission der dann immer noch neutronenreichen Spaltprodukte in Millisekunden bis Sekunden. Die Existenz dieser verzögerten Neutronen ermöglicht überhaupt erst die Steuerbarkeit kritischer Kernreaktoren;
• Beta-minus-Zerfälle, also Umwandlung von Neutronen in Protonen.

Extremwerte

Der größte bisher experimentell festgestellte Neutronenüberschuss ist 61, der bei den Isotopen ²⁹³Lv, ²⁸⁹Fl, ²⁸⁵Cn, ²⁸¹Ds und ²⁷⁷Hs auftritt.<ref>Nuclear Data Group FRIB: Discovery of Nuclides Project. 2024, abgerufen am 3. Februar 2025 (). </ref>

Einzelnachweise

<references />