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.

Der Neutronenüberschuss ist definiert als

${\displaystyle NE=N-Z}$.

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

${\displaystyle \Rightarrow NE=A-2Z}$.

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

${\displaystyle NE_{\text{rel}}={\frac {NE}{Z}}={\frac {N}{Z}}-1={\frac {A}{Z}}-2}$.

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.

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.

Der größte bisher experimentell festgestellte Neutronenüberschuss ist 61, der bei den Isotopen ²⁹³Lv, ²⁸⁹Fl, ²⁸⁵Cn, ²⁸¹Ds und ²⁷⁷Hs auftritt.^[2]

1. ↑ Karl Heinrich Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2nd, revised edition, Wiley-VCH 2001, ISBN 3-527-30317-0, Seite 9
2. ↑ Nuclear Data Group FRIB: Discovery of Nuclides Project. 2024, abgerufen am 3. Februar 2025 (englisch).