wieso Atom instabil bei zu viel Neutronen?
Wenn ein Atom zu viele Neutronen enthält, ist dieses ja instabil und zerfällt. Aber wieso ist dieses Atom instabil? Die Neutronen sind ja nach außen hin gerichtet neutral(nicht so wie Protonen). Liegt das eventuell an der Überzahl der Downquarks in den Neutronen, die sich aufgrund ihrer negativen Ladung abstoßen?
4 Antworten
hat nichts mit den quarks zu tun.
der grund liegt darin, dass neutronen und protonen beide zur gruppe der fermionen gehören, und damit dem pauli-prinzip unterliegen. dies besagt, dass zwei identische fermionen nicht den selben zustand einnehmen können. daher können im zustand niedrigster energie (das sind dieam stärksten gebundenen teilchen) nur 2 neutronen (eines für jede spin ausrichtung) und 2 protonen sein. die nächsten teilchen müssen dann schon auf ein höheres energieniveau.
wenn du jetzt zum auffüllen der energieniveaus nur neutronen verwendest, dann bist du ziemlich schnell bei sehr hohen energien (wodurch der kern instabil wird), weil du ja nur 2 teilchen in jedes energieniveau setzen kannst. wenn du protonen auch verwendest dann kannst du mehr teilchen in jedes energieniveau setzen (da protonen ja von neutronen verschieden sind und sie sich daher nicht beim pauli-prinzip überschneiden).
allerdings haben protonen wieder den "nachteil", dass sie elektrisch geladen sind und sich daher abstoßen. für stabile kerne gilt es daher die richtige balance zwischen neutronen und protonen zu finden. für kerne mit vielen teilchen verschiebt sich diese nach und nach ein bisschen mehr zu mehr neutronen als protonen, aber zu viele neutronen dürferns eben auch nicht sein.
zusammengefasst ist das in der Bethe-Weizsäcker-Formel
Ich bin kein "Experte", aber ich versuche deine Antwort zu beantworten.
Magische Zahlen
Es gibt sogenannte "magische Zahlen". Wenn im Atomkern die Anzahl der Protonen oder der Neutronen einer der magischen Zahl entspricht, dann ist der Atomkern einfach magisch bzw. doppelt magisch (wenn eben Protonen und Neutronen jeweils für sich einer magischen Zahl entsprechen). Diese Zustände sind gekennzeichnet von besonders hoher Stabilität des Kerns. Eine bildliche Erklärung erfolgte darüber, dass eben bei diese Zahlen der Kern eine besonders stabile Form annehmen würde (idealisierend: eine Kugel). Eben dort soll die "Statik" besonders günstige Zustände hervorrufen (grobe Umschreibung).
Diese magischen Zahlen lauten (als Zustandsinformation): 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126.
Eine erhöhte Stabilität bei der Zahl 126 konnte bisher nur bei Neutronen im Kern nachgewiesen werden, da Atomkerne mit 126 Protonen noch nicht zusammengeschustert wurden.
Interessant sei hier noch gesagt, dass man mit den magischen Zahlen einerseits die Häufigkeit von bestimmten Elementen/Isotopen im Universum erklärt und wieso bestimmte Halbwertszeiten von den verwandten radioaktiven Isotopen abweichen.
Starke Wechselwirkung
Kurz: Atomkern kann Protonen/Neutronen ineinander umwandeln um günstigere Energiezustände zu erreichen. Die drei verschiedenen Zerfallsarten sorgen alle dafür, dass der Kern einen günstigeren Zustand erreicht.
Lang:
Es gibt eine gewisse Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung (einer der vier Grundkräfte der Physik), auch Kernkraft genannt. Diese Restwechselwirkung hat eine anziehende Wirkung und wird reduziert durch die im Kern auch wirkende Coulombkraft, die wiederum die Kernteilchen voneinander entfernt. Ob die Stabilität durch einen weiteren Neutron begünstigt wird oder nicht, hängt vom Bestreben der Atomkerne sogenannte "Beta-Plus-" und "Beta-Minus-Zerfall" durchzuführen ab. Die Zusammensetzung des Atomkerns, also Anzahl der Protonen und Neutronen, entscheidet darüber.
Neutronen und Protonen gehören zu den Hadronen. Das bedeutet einerseits, dass diese ausschließlich aus Up- und Down-Quarks bestehen. Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Neutron zu einen Proton, ein Elektron und ein Antineutrino umgewandelt. Wir nennen den Sachverhalt, dass etwas gerade radioaktiv zerfällt als Zerfall. Dies wäre bei einem Atom der Fall, der zu viele Neutronen hätte. Solche ein Beta-Minus-Zerfall wird dem Beta-Plus-Zerfall bevorzugt, wenn ein Neutron gegenüber ein Proton den Atomkern letzten Endes mehr Masse spenden würde.
Das soll bedeuten, dass der Zustand mit einem weiteren Neutron zwar kein Energieaufwand bedeutet, aber weniger zur Bindung des Kerns beiträgt. Je mehr Energie in die Kernkraft fließt (Zusammenhalt des Kerns) umso mehr ist der Kern dazu bestrebt ein besagtes Teilchen zu haben. Und da Neutronen mit Protonen verwandt sind und ineinander umgewandelt werden können (bei Protonen natürlich ein Elektron benötigt), erfolgt dort ein Gleichgewicht.
Dies wäre eine Variante solch eine ungünstige Situation des Kerns auszugleichen. Natürlich ist dies nicht immer der Fall und es gibt nicht immer ein Betazerfall, es gibt bekanntlich auch Alpha-Zerfall und Gamma-Zerfall.
Ich hoffe das war verständlich.
Es geht dabei nicht um Ladungen, sondern um Kernkräfte. Für die Architektur eines stabilen Kerns ist es eben wichtig, dass das n/p-Verhältnis ausgeglichen ist. Wie eine Mauer auch nur hält, wenn Steine und Mörtel vorhanden sind.
Leider kann ich deine Frage nicht wirklich beantworten, aber ich glaube nicht, dass es an der negativen Ladung der Downuarks liegt, die sind ja durch Upquarks ausgeglichen.
Hoffe ich konnte trotzdem helfen. Lg Algi0506