Neutronenüberschuss

Neutronenüberschuss nennt man in der Kernphysik die Differenz zwischen Neutronenzahl N und Protonenzahl Z eines Atomkerns:

$ NUe=N-Z $

Da für die Massenzahl A gilt $ A=N+Z\Leftrightarrow N=A-Z $, wird der Neutronenüberschuss gleichbedeutend auch definiert als:^[1]

$ \Rightarrow NUe=A-2Z $

Der Neutronenüberschuss stabiler Atomkerne ist bis auf 15 Ausnahmen größer als Null und steigt mit wachsender Massenzahl A.

Gelegentlich bezeichnet man auch die jeweilige Abweichung von der Winkelhalbierenden $ N=Z\Leftrightarrow {\frac {N}{Z}}=1 $ der Nuklidkarte, nämlich die Zahl $ {\frac {NUe}{Z}}={\frac {N}{Z}}-1={\frac {A}{Z}}-2 $, als Neutronenüberschuss – besser ist hier die Bezeichnung „Relativer Neutronenüberschuss“.

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

Auswirkung auf die Stabilität von Atomkernen

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.

• 

   Rot : Relativer Neutronenüberschuss stabiler Nuklide. Er steigt etwa linear mit der Ordnungszahl an.
   Grün : Relativer Neutronenüberschuss schwererer, radioaktiver, „relativ stabiler“ Nuklide. Hier fällt der relative Neutronenüberschuss wieder etwas ab.

• 

  Gestreckte Darstellung des Bereichs von A/Z − 2 = 0,0 bis 0,7

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

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Den größten absoluten Neutronenüberschuss von bisher hergestellten Isotopen haben Hassium-278 und Darmstadtium-282 mit 62.

Einzelnachweis