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Neutron: 21 Fragen & Antworten zu Neutronen


Vom Moleküle zum Atom bis in den subatomaren Raum

Darstellung: Vom Moleküle bis zum subatomaren Raum

Das Neutron, mit dem Symbol n, ist ein Teilchen – welches zusammen mit dem Proton ein Baustein aller zusammengesetzten Atomkerne ist. Anders als Protonen sind Neutronen elektrisch neutral.

Was ist ein Neutron

Das Neutron ist ein Teilchen, welches sich meistens im Atomkern der Elemente befindet und dort neutral geladen ist. Demnach ist die neutrale Ladung ein Unterschied zum Proton, welches sich zwar ebenfalls im Atomkern befindet, aber positiv geladen ist.

Wozu gehören Neutronen

Da Neutronen kleiner sind als Atome, gehört es genauso wie Protonen oder Elektronen, zu den subatomaren Teilchen. Anders als Elektronen besitzen Neutronen eine relevante Masse, weshalb man sie in die Gruppe der Baryonen einordnet.

Da sich Neutronen meistens im Atomkern befinden, gehören diese in die Gruppe der Nukleonen (Kernteilchen). Weiterhin haben Neutronen einen halbzahligen Spin (1/2 +

), weshalb man sie in die Gruppe der Fermionen einordnet. Und da Neutronen einer starken Wechselwirkung unterliegen, ordnet man sie zudem in die Gruppe der Hadronen ein.

Welche Aufgaben haben Neutronen im Atomkern

Da die Protonen stets positiv geladen sind und gleiche Ladungen sich abstoßen, würde sich – aufgrund der Abstoßung – der Atomkern ausdehnen. Die Neutronen, als neutral geladene Teilchen, verhindern die Abstoßung der Protonen und die Ausdehnung des Atomkerns. Sie sind somit Teilchen, welche die Protonen und auch den Atomkern stabil zusammenhalten.

Wozu sind Neutronen da

Neutronen besitzen neben der Aufgabe, die Protonen und den Atomkern stabil zu halten, noch weitere Funktionen. So entstehen beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen aus dem neutralen Neutron ein positiv-geladenes Proton. Gemäß dem physikalischen Gesetz der Ladungserhaltung entsteht beim Zerfall auch ein negativ-geladenes Elektron.

Bei der neutroneninduzierten Kernspaltung kommt ein freies Neutron, welches nicht in einem Atomkern gebunden ist, einen Atomkern ziemlich nahe. Es entstehen Anziehungskräfte und im Atomkern nimmt die Bindungsenergie zu. Die Energie bewirkt, dass der Atomkern angeregt wird und sich spaltet.

Durch die Kernspaltung wird der ursprünglich schwere Kern in mehrere Atomkerne mit mittlerer Masse gespalten. Dadurch wird Energie freigesetzt, welche man in Kernkraftwerken zur Erzeugung von Kernenergie nutzt.

Hauptsächlich wird in Kernkraftwerken die Bewegungsenergie der Spaltprodukte genutzt. Aber durch die Abbremsung der Spaltprodukte (Atomkerne) durch das umgebene Material entsteht auch Wärme, also thermische Energie. Beide Energien können dann zur Stromerzeugung genutzt werden.

Wie lässt sich die Anzahl der Neutronen berechnen

Die Neutronenzahl gibt an, wie viele Neutronen sich im Atomkern befinden. Um die Anzahl der Neutronen zu berechnen, benötigt man die Massenzahl und die Ordnungszahl des Elements. Beide Zahlen kann man dem Periodensystem entnehmen.

Am Beispiel von Sauerstoff lässt sich dies gut verdeutlichen. Sauerstoff ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol O (Oxygen) und der Ordnungszahl 8.

Demnach besitzt Sauerstoff 8 Protonen im Atomkern. Die Atommasse bzw. das Atomgewicht eines Elements kann man im Periodensystem in der oberen rechten Ecke des jeweiligen Elements oder unter dem Symbol ablesen. Im Falle von Sauerstoff beträgt das Atomgewicht 15,999.

Sauerstoff Element

Um jetzt die Neutronenzahl zu berechnen, muss die Differenz zwischen Atomgewicht und Protonenzahl gebildet werden. Im Falle von Sauerstoff wäre dies 15,999 – 8. Da man die Neutronenzahl ganzzahlig angibt, wären dies 8 Neutronen.

Kurzum…

  • Die Anzahl der Protonen wird als Kernladungszahl bezeichnet, welche mit Z abgekürzt bzw. bezeichnet wird.
  • Die Massenzahl (A) ist die Gesamtzahl aller Nukleonen (Protonen + Neuronen)
  • Die Neutronenzahl (N) wird berechnet, indem die Differenz zwischen der Massenzahl (A) und der Protonenzahl (Z) gebildet wird. (N = A – Z)

Wer entdeckte das Neutron

1920 vermutete der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford ein neutrales Teilchen im Atomkern. Ein Jahr später wurde dieses Teilchen vom US-Amerikaner William Draper Harkins als Neutron bezeichnet. Harkens war physikalischer Chemiker und führte den Begriff des Neutrons erstmalig in seinen Arbeiten ein.

Im Jahr 1932 gelang es dem englischen Physiker Sir James Chadwick, die Neutronen experimentell nachzuweisen. Für die Entdeckung des Neutrons erhielt Chadwick 1935 den Nobelpreis für Physik.

Welche Masse oder Gewicht hat ein Neutron

Die durchschnittliche Masse eines Neutrons beträgt rund 1,675 · 10−27 kg. Dies entspricht etwa 1,008 665 u (atomare Masseeinheit).

Wie ist ein Neutron aufgebaut

Ein Neutron besteht aus Quarks. Dies sind Elementarteilchen, welche sich durch verschiedene Wechselwirkungen zu einem Neutron verbinden. (siehe Abschnitt unten)

Wie ist ein Neutron aufgebaut

Ein Neutron besteht aus Quarks


Wie viele Quarks hat ein Neutron

Ein Neutron besteht aus einem Up-Quark (u) und zwei Down-Quarks (d), welche man in einer Formel (ddu) zusammenfasst. Das Proton besteht nur aus einem Down-Quark, hat aber dafür zwei Up-Quarks (Formel: uud). Beide bestehen demnach aus drei Quarks. Zwischen Proton und Neutron existieren Wechselbeziehungen bzw. innere Kräfte, welche den Atomkern stabil halten.

Wie viele Quarks hat ein Neutron


Warum ist ein Neutron neutral geladen

Ein Neutron besteht aus einem Up-Quark, welches eine Ladung von + 2/3 e hat. Die zwei Down-Quarks im Neutron haben jeweils eine Ladung von -1/3 e. Demnach gleichen sich beide Ladungen aus.

Warum ist ein Neutron neutral geladen

Proton-Ladungen und Neutronen-Ladungen

Das Proton (uud) hat jeweils zwei Up-Quarks mit jeweils + 2/3 e und nur ein Down-Quark mit -1/3 e, weshalb sich als Summe eine positive Ladung ergibt.

Welche Kraft hält Protonen und Neutronen zusammen

In jedem Atomkern herrschen Kernkräfte, welche sich aus der Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung und der schwachen Wechselwirkung ergeben. Beide Wechselwirkungen entfachen sich auf Ebene der Quarks.

Restwirkung der Starken Wechselwirkung

Zwischen den Quarks existieren weitere Elementarteilchen, welche man als Gluonen bezeichnet. Diese Gluonen sind Austauschteilchen, welche Kräfte zwischen Teilchen vermitteln, die ein Farbladung haben. Diese Farbladung hat nichts mit einer optischen Farbe zu tun, sondern ist vielmehr eine Wellenfunktion mit den Ausprägungen: rot, grün und blau. Wenn nun zwischen zwei Quarks ein Gluon ausgetauscht wird, ändert sich die Farbladung der beteiligten Quarks.

Gluon als Kräftevermittler zwischen den Quarks in einem Neutron

Gluon als Kräftevermittler zwischen den Quarks in einem Neutron

Entfernt man zwei gebundene Quarks voneinander, so wird die Anziehungskraft immer stärker. Irgendwann ist die Energie so stark, dass sich zwei neue Quarks bilden. Man kann sich dies, wie ein Gummiband vorstellen – welches beim Auseinanderziehen, eine starke Kraftanstrengung verursacht, bis es reißt. Die neuen Quarks verbinden sich dann mit den ursprünglichen Quarks.

Die starke Wechselwirkung ist allerdings in der Reichweite begrenzt (<10-15 m). Außerhalb dieser Reichweite findet eine Restwirkung statt, welche auf die Protonen und Neutronen im Atomkern einwirkt. Demnach werden nicht Protonen und Neutronen zusammengehalten, sondern die Quarks – aus denen sie bestehen.

Schwache Wechselwirkung

Die Schwache Wechselwirkung hat eine kleinere Reichweite als die starke. Diese beträgt <10-17 m, weshalb die schwache Wechselwirkung hundertmal schwächer ist als die starke Wechselwirkung. Die Austauschteilchen werden als intermediäre Bosonen bezeichnet.

Wie wird ein Proton zu einem Neutron

Protonen entstehen, wenn Neutronen zerfallen. Dadurch verändert sich die Zusammensetzung der Quarks, wie oben beschrieben. Gleichzeitig können auch Protonen zerfallen, woraus sich Neutronen ergeben. Auch dies ist lediglich eine Neukombination aus Up-Quarks und Down-Quarks (siehe oben).

Warum zerfällt ein Neutron

Freie Neutronen zerfallen, wenn sie nicht an einen Atomkern gebunden werden können. Die Lebensdauer eines Neutrons beträgt im Durchschnitt 878 Sekunden bzw. 15 Minuten. Aber die meisten Neutronen werden in ihrer Umgebung von einem Atomkern angezogen und absorbiert, so dass sie kurz nach ihrer Freisetzung wieder gebunden sind. In der Natur existieren demnach freie Neutronen faktisch nicht.

Im Atomkern zerfallen Neutronen durch den radioaktiven Zerfall von Atomkernen. Solch radioaktiver Zerfall findet immer dann statt, wenn in einem Atomkern entweder zu viele Protonen oder Neutronen sind, so dass das Gleichgewicht gestört ist. Dies kann man als ein Überschuss an Energie im System bezeichnen, welche ausgeglichen werden muss.

Durch den Zerfall wird dieser Überschuss abgebaut und ein energisch günstigerer Zustand erreicht. Die freigesetzte Energie wird als Kernbindungsenergie bezeichnet.

Warum ist ein Neutron schwerer als ein Proton

  • Ein Neutron hat eine Masse von 1,675 · 10−27 kg bzw. 1,008 665 u (atomare Masseeinheit) und eine Ruheenergie von 939,56533 MeV.
  • Ein Proton hat eine Masse von 1,672622 · 10−27 kg und eine Ruheenergie von 938,2720 MeV.

Dadurch ist die Ruheenergie des Protons um etwa 1,3 MeV kleiner die eines Neutrons.

Sowohl Up-Quarks als auch Down-Quarks zählen zu Quarks mit geringer Masse. Dennoch bewirkt, die unterschiedliche Zusammensetzung von Proton und Neutron, dass diese sich in ihrer Masse und somit auch in ihrer Ruheenergie leicht unterscheiden.

Warum werden bei der Kernspaltung Neutronen freigesetzt

Bei einer Kernspaltung wird ein Atomkern in zwei Spaltstücke gespalten. Dabei werden Spaltneutronen direkt nach der Spaltung emittiert, welche als prompte Neutronen bezeichnet werden. Diese sind notwendig, um auf andere Kerne zu treffen und deren Spaltung auszulösen. Dadurch entsteht eine Kettenreaktion.

Wieso hat Wasserstoff kein Neutron

Wasserstoff besitzt nur ein Proton im Atomkern. Demnach entstehen im Atomkern keine Abstoßkräfte zwischen gleichgeladenen Protonen, weshalb ein Neutron als Stabilisierungsteilchen überflüssig ist. Einige Wasserstoff-Isotope besitzen allerdings Neutronen (Deuterium, Tritium).

Ist das Neutron ein Elementarteilchen

Alle Elementarteilchen sind subatomar. Das bedeutet, dass diese nicht auf Ebene der Atome zu finden sind, sondern darunter. Ein Neutron besteht aus Quarks, Bosonen und anderen subatomaren Teilchen, welche als Elementarteilchen bezeichnet werden. Das Neutron selbst ist kein Elementarteilchen.

Hat das Neutron ein Antiteilchen

Ein Antiteilchen existiert auf Ebene der Quarks, also im subatomaren Raum. Dort bildet jedes Elementarteilchen ein Antiteilchen, so dass jeweils zwei Varianten vorliegen. Durch die Zusammensetzung der Antiquarks entstehen das Antiteilchen.

Das Antineuron ist das Antiteilchen des Neurons, welches durch zwei Anti-Down-Quarks und einem Anti-Up-Quark gebildet wird. Auch das Antineuron ist neutral geladen und besitzt den gleichen Spin wie ein Neutron. Der Unterschied besteht darin, dass das Neutron aus Quarks und das Antineutron aus Antiquarks besteht.

Falls das Antineutron zerfällt, entsteht ein Antiproton, einem Positron und ein Elektron-Neutrino.

Was ist der Unterschied zwischen Neutron und Neutrino

Neutrinos sind Elementarteilchen, welche – genau wie das Neutron – eine neutrale Ladung tragen. Diese verbinden sich mit einem elektrisch geladenen Teilchen, wie dem Elektron, dem Myon oder Tauon und deren Antiteilchen. Dadurch treten Elektronen-Neutrinos oder Myon-Neutrinos auf.

Wie ist die Halbwertszeit eines Neutrons

Die Halbwertszeit gibt an, wie lange es dauert, bis das Neutron zur Hälfte seinen Zustand verändert hat. Das Neutron zerfällt in 878 Sekunden. Diese Zeitdauer entspricht der kompletten Zustandsänderung. Die Halbwertszeit beträgt circa 610 Sekunden. Demnach zerfällt das Neutron am Ende schneller.

Welche Unterschiede bestehen zwischen Neutron, Proton und Elektron

Der erste Unterschied ist die Ladung. Das Neutron ist neutral, das Proton positiv und das Elektron negativ geladen. Ein zweiter Unterschied wäre der Aufenthaltsort. Die Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern und die Elektronen in der Atomhülle.

Dazu kommt ein dritter Unterschied, nämlich das Gewicht bzw. die Masse. So wiegen Elektronen fast gar nichts, deren Massen sind unrelevant. Der Atomkern eines Atoms macht 99,9 Prozent der Masse aus. Innerhalb des Atomkerns unterscheiden sich Protonen und Neutronen ebenfalls vom Gewicht (siehe Abschnitt oben).

Auf subatomarer Ebene unterscheiden sich die Bausteine auch in der Struktur. So bestehen Protonen und Neutronen aus einer Kombination von Up-Quarks und Down-Quarks (siehe Abschnitt oben). Die Elektronen sind genauso wie Quarks auch Elementarteilchen.


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