Neutron

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Neutron
Klassifikation

Elementarteilchen

Fermion

Hadron

Baryon

Nukleon

Eigenschaften 1,008 664 915 78(55) u =
1,674 927 16(13)×10^-27 kg =
1838,683 6550(40) × m_e939,565 330(38) MeV =
1,505 349 46(12)×10^-10 J

Quark Zusammensetzung	2 Down, 1 Up
Ladung	0 C
Ruhemasse
Ruheenergie
Durchmesser	1,5·10^-15 m
magnetisches Moment	-0,966 236 40(23)×10^-26 J T^-1
Spin	1/2
mittlere Lebensdauer	frei 886+-2 s

Das Neutron ist ein relativ langlebiges, elektrisch neutrales Hadron mit dem Formelzeichen n. Es ist, wie das Proton, ein Nukleon.

Physikalische Beschreibung

Das Neutron hat den Spin 1/2 und ist damit ein Fermion. Außerdem gehört es zu den Baryonen. Neutronen bestehen ihrerseits aus zwei d-Quarks und einem u-Quark (Formel udd).

Wie seine Bestandteile unterliegt auch das Neutron sowohl der Starken als auch der Schwachen Wechselwirkung. Freie Neutronen haben lediglich eine Lebensdauer von ca. 15 Minuten.

Bemerkenswert ist, dass das Neutron – obwohl es ein elektrisch neutrales Teilchen ist – ein magnetisches Moment hat und damit auch der Elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegt. Die Erklärung dieses magnetischen Moments ist ein sehr schwieriges Problem der theoretischen Physik.

Die Ruhemasse des Neutrons ist um etwa 0.14 % (1,293 MeV) größer als die des Protons. Der Durchmesser des Neutrons beträgt etwa 1,5 $\cdot$ 10^-15 m, ist jedoch nicht klar definiert.

Neutronen als Bestandteile von Atomkernen

Die Neutronen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei und bestimmen damit das Isotop des Elements. Das chemische Verhalten bleibt jedoch im Wesentlichen gleich, da dies durch die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmt wird, deren Elektronenanzahl wegen der elektrischen Neutralität des Neutrons unabhängig von der Neutronenzahl ist.

Der Atomkern fast aller Elemente besteht aus Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist das am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht.

Schwache Wechselwirkung

Neutronen unterliegen der Schwachen Wechselwirkung. Der hierdurch verursachte Betazerfall sorgt für die Aufspaltung eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Das freie Neutron ist instabil und zerfällt mit einer Lebensdauer von etwa

886,7\pm1,9

Sekunden (knapp 15 Minuten):

\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e + 0,78\,\mathrm{MeV}

Die umgekehrte Reaktion ist theoretisch möglich, aber statistisch extrem selten, da drei Teilchen mit einer genau abgestimmten Energie zur Reaktion gebracht werden müssten:

\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e + 0,78\,\mathrm{MeV} \rightarrow\mathrm{n}

Die Halbwertszeit des freien Neutrons ist jedoch nicht sehr präzise bekannt. Der Grund ist die schwierige Messung: Freie Neutronen lassen sich zwar mit Neutronenquellen, Kernreaktionen oder Kernspaltung oder mittels des Kernphotoeffekts gewinnen. Sie werden jedoch in kürzester Zeit von Materie eingefangen, bevor der Zerfall stattfindet. Für wissenschaftliche Berechnungen ist die Lebenszeit freier Neutronen aber eine elementare Konstante, die einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos hatte. In einer frühen Phase des Universums machten nämlich freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus. So könnte man die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung) besser nachvollziehen, wenn die Zerfallskonstante des Neutrons genau bekannt wäre. Außerdem erwartet man ein besseres Verständnis der Schwachen Wechselwirkung, die für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich ist.

Eine Gruppe am Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin arbeitet daran, die Zerfallszeit des freien Neutrons präziser zu messen. Dabei werden Neutronen in einer dreidimensionalen magnetischen Falle eingeschlossen. Die Wechselwirkung des Neutrons mit den Magnetkräften des Käfigs erfolgt über den schwachen magnetischen Dipol des Neutrons. Dies bedingt eine besonders ausgefeilte Gestaltung des Feldes im Käfig. Die Neutronen, die aus einem Forschungsreaktor in die Falle gelangen, werden von superflüssigem Helium in der Kammer abgebremst und eingefangen. Das aus dem Zerfall stammende hochenergetische Elektron dient als Nachweis in der Kammer. Es ionisiert auf seiner Flugbahn mehrere Helium-Atome, die über Molekülprozesse (Excimere) ein messbares Lichtsignal aussenden. Neutronen hinterlassen in einer Blasenkammer keine Spur, d. h. sie wirken nicht ionisierend.

Starke und Elektromagnetische Wechselwirkung

Neutronen unterliegen der Starken Wechselwirkung, nicht aber der elektrostatischen Abstoßung. Daher wirken sie stabilisierend auf Atomkerne mit vielen Protonen. Während die positiv geladenen Protonen untereinander sowohl anziehende (Starke Wechselwirkung) als auch abstoßende Kräfte (Elektromagnetische Wechselwirkung) erfahren, tritt zwischen Neutronen untereinander und zwischen Neutronen und Protonen keine elektrostatische Abstoßung auf.

Die Elektromagnetische Wechselwirkung ist zwar schwächer als die Starke Wechselwirkung, wirkt aber im Gegensatz zu dieser auch über größere Entfernungen, da sie sich umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung verhält, während die Starke Wechselwirkung, die man auch als eine Äußerungsform der zwischen den Quarks und Gluonen, aus denen die Nukleonen bestehen, wirkenden Farbkraft interpretieren kann, nur auf sehr kurze Distanz wirkt und in größerer Entfernung schnell gegen Null strebt. Die Stabilität eines Atomkerns kann näherungsweise als das Gleichgewicht zwischen der anziehenden Starken und der abstoßenden elektrischen Kraft angesehen werden.

Obwohl sie sich durch statische elektrische Felder nicht ablenken lassen, unterliegen Neutronen doch auch der Elektromagnetischen Wechselwirkung, da sie über einen Spin und somit über ein Magnetisches Moment verfügen.

Typische Kernreaktionen mit Neutronen

Freie Neutronen, insbesondere thermische, d.h. langsame Neutronen werden von vielen Atomkernen absorbiert. Der dabei entstehende neue Atomkern, ein Isotop des ursprünglichen Kerns, ist oft radioaktiv.

Einige wenige Nuklide spalten sich nach dem Einfangen eines Neutrons. In Kernreaktoren wird dieser Prozess als Kettenreaktion zur Energiegewinnung genutzt.

Wirkungen von Neutronenbestrahlung auf Materie

(s. auch Strahlenschaden)

Die Materialeigenschaften von Metallen und andern Werkstoffen werden durch Neutronenbestrahlung verschlechtert. Dies begrenzt die Lebensdauer von Komponenten in z.B. Kernreaktoren. In Kernfusionsreaktoren mit ihrer höheren Energie der Neutronen tritt dieses Problem verstärkt auf. Die Wirkung auf lebende Materie ist ebenfalls meist schädlich. Sie beruht bei schnellen Neutronen größtenteils auf von diesen angestoßenen Protonen, die einer stark ionisierenden Strahlung entsprechen. Die Nutzung von schnellen Neutronen in der Strahlentherapie beschränkt sich auf wenige Sonderfälle. Thermische Neutronen erzeugen durch die Einfang-Kernreaktion ¹H(n, gamma) ²H an Wasserstoff eine Gammastrahlung, die ihrerseits ionisiert.

Geschichte der Entdeckung und Erforschung

Die ersten Schritte zur Entdeckung des Neutrons wurden von Walther Bothe und seinem Studenten Herbert Becker getan. Sie beschrieben im Jahr 1930 einen ungewöhnlichen Typ von Strahlung, der entstand, wenn sie Beryllium mit Polonium-Alphateilchen beschossen. Ziel der Versuche war es, eine Theorie Ernest Rutherfords zu bestätigen, nach welcher bei diesem Vorgang sehr energiereiche Strahlung emittiert werden sollte. Dementsprechend hielten sie die durchdringende Strahlung, die sie bei diesen Versuchen mit Hilfe von elektrischen Zählmethoden feststellen konnten, anfänglich fälschlicherweise für Gammastrahlung. Die gleichen Versuche machten sie auch mit Lithium und Bor, und kamen schlussendlich zum Ergebnis, dass die beobachteten „Gammastrahlen“ mehr Energie besaßen als die Alphateilchen, mit denen sie die Atome beschossen hatten. Bei der Bestrahlung von Beryllium mit Alphateilchen entstand nicht – wie zuvor erwartet – Bor, sondern Kohlenstoff.

{}^{9}_4 \mathrm Be  +  {}^{4}_2 \mathrm He^{2+} \to {}^{12}_6 \mathrm C + {}^{1}_0 \mathrm n

Gleichzeitig entstand dabei die beobachtete, sehr energiereiche Strahlung, die ein großes Durchdringungsvermögen durch Materie hatte, jedoch ansonsten ein für Gammastrahlung sehr ungewöhnliches Verhalten zeigte. Die Strahlen waren zum Beispiel in der Lage, leichte Atome in schnelle Bewegung zu versetzen. Eine genauere Analyse zeigte, dass die Energie dieser „Gammastrahlung“ so groß hätte sein müssen, dass sie alles bis dahin Bekannte weit übertroffen hätte. So kamen mehr und mehr Zweifel auf, ob es sich bei der beobachteten Strahlung wirklich um Gammastrahlen handelte. Entsprechend dem durchgeführten Versuch nannte man die Strahlung inzwischen „Beryllium-Strahlung“.

Ein Jahr später, 1931, stellten Irène Joliot-Curie und ihr Ehemann Frédéric Joliot-Curie bei Experimenten mit der Beryllium-Strahlung folgende Tatsache fest: Lässt man die „Beryllium-Strahlung“ in eine Ionisationskammer treffen, so zeigt diese keinen nennenswerten Strom an. Bringt man jedoch vor die Ionisationskammer eine wasserstoffhaltige Materialschicht (zum Beispiel Paraffin), dann steigt der Strom in der Kammer stark an. Als Ursache für den Stromanstieg in der Ionisationskammer vermutete das Ehepaar Joliot-Curie, dass aus dem wasserstoffhaltigen Paraffin Protonen durch die „Beryllium-Strahlung“ herausgelöst werden, welche dann in der Ionisationskammer die notwendige Ionisierung bewirken. Sie konnten ihre Vermutung sogar durch den Nachweis solcher Rückstoß-Protonen in der Wilsonschen Nebelkammer belegen. Als Mechanismus vermuteten Joliot-Curie einen dem Comptoneffekt verwandten Vorgang. Die harte Gammastrahlung sollte den Protonen den notwendigen Impuls übertragen. Abschätzungen zeigten jedoch, dass zur Erzeugung eines Rückstoßprotons, dessen Spurlänge in der Nebelkammer etwa 26 cm betrug, eine Gammaenergie von etwa 50 MeV notwendig wäre, was ziemlich unrealistisch erschien.

James Chadwick – ein Schüler Rutherfords – glaubte wie sein Lehrmeister nicht an einen „Comptoneffekt beim Proton“ und nahm an, dass die „Beryllium-Strahlung“ aus Teilchen bestehen müsse. Als Irene und Frederic Joliot-Curie ihre Versuchsergebnisse veröffentlichten, in denen sie zeigten, dass Bothes „Beryllium-Strahlung“ in der Lage war, aus Paraffin Protonen mit hoher Energie herauszuschlagen, war für Chadwick klar, dass es sich nicht um Gammastrahlung, sondern nur um Teilchen mit einer dem Proton vergleichbaren Masse handeln konnte. In den zahlreichen Versuchen wiederholte er die Experimente des Ehepaares Joliot-Curie und bestätigte den Joliot-Curieschen Kernschleuder-Effekt. Weiterhin konnte er 1932 experimentell nachweisen, dass es sich bei Bothes „Beryllium-Strahlung“ nicht um Gammastrahlen, sondern vielmehr um einen Geschoßregen aus schnell bewegten Teilchen handelte, die ungefähr die Masse des Protons besitzen, jedoch elektrisch neutral sind. Er erkannte, dass die Eigenschaften dieses Typs Strahlung eher mit denen eines bereits zwölf Jahre zuvor von Ernest Rutherford als Kernbaustein vermuteten neutralen Teilchens in Einklang zu bringen waren. Da die nunmehr entdeckten Teilchen keine elektrische Ladung trugen, nannte er sie Neutronen.

Mit dieser Entdeckung konnte die Beschreibung des Atomaufbaus vorerst vollendet werden: Der Atomkern, bestehend aus Protonen und Neutronen wird von einer Hülle aus Elektronen umgeben. Bei einem elektrisch neutralen Atom entspricht die Anzahl der negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle stets genau jener der positiv geladenen Protonen im Atomkern, wohingegen die Anzahl der Neutronen im Kern variieren kann.

Im gleichen Jahr 1932 stellte Heisenberg seine Nukleonentheorie auf.

Um 1940 nahm man an, dass das Neutron eine Verbindung aus Proton und Elektron darstellt. So hätte man alle Atome auf diese 2 Bausteine zurückführen können. Erst mit der weiteren Entwicklung der Quantenmechanik und der Kernphysik wurde klar, dass es keine Elektronen als dauerhafte Bestandteile des Kerns geben kann.

Erzeugung und Nachweis freier Neutronen

Es gibt viele verschiedene Arten von Neutronenquellen. In der angewandten Forschung (Untersuchung der Struktur und Dynamik von Materie durch elastische und inelastische Neutronenstreuung) werden vor allem Neutronen aus Forschungsreaktoren genutzt. Dort werden die Neutronen bei der Kernspaltung frei. Diese Spalt-Neutronen haben allerdings eine Energie im Bereich von einigen MeV und sind daher für die meisten Experimente und Anwendungen nicht direkt zu verwenden. Durch Stöße mit Atomkernen können diese schnellen Neutronen ihre Energie stufenweise auf diese übertragen. Dies geschieht in dem den Kern umgebenden Wassertank (leichtes oder schweres Wasser als Moderator). Das Wasser besitzt in der Regel eine Temperatur von etwa 300K. Nach zahlreichen Zusammenstößen mit den Kernen der Wasseratome weisen die Neutronen ein entsprechendes Energiespektrum auf. Man spricht dann von thermischen Neutronen (siehe untenstehende Tabelle). Durch das Einbringen von zusätzlichen Moderatoren kann das Energiespektrum der Neutronen zusätzlich zu höheren oder niedrigeren Energien verschoben werden. Diese zusätzlichen Moderatoren bezeichnet man auch als sekundäre Neutronenquellen. Zur Gewinnung von sogenannten kalten Neutronen kommt häufig flüssiges Deuterium mit einer Temperatur von etwa 20K zum Einsatz. Sogenannte heiße Neutronen werden in der Regel mit Graphit-Moderatoren bei etwa 3000K moderiert. Durch sogenannte Strahlrohre werden die Neutronen aus dem Moderatortank oder den sekundären Neutronenquellen zu den Experimenten geleitet. Allerdings müssen noch genügend viele Neutronen im Reaktorkern verbleiben oder dorthin zurück reflektiert werden, um die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Kalte, thermische und heiße Neutronen weisen jeweils eine bestimmte Energieverteilung und damit Wellenlängenverteilung auf. Für viele Experimente werden jedoch monochromatische oder monoenergetische Neutronen, also Neutronen einheitlicher Energie, benötigt. Diese erhält man z.B. durch den Einsatz eines Monochromators. Als Monochromatoren kommen perfekte Einkristalle oder Mosaik-Kristalle zum Einsatz (Silizium, Germanium, Kupfer, Grahpit etc.), wobei durch die Auswahl bestimmter Bragg-Reflexe und Monochromatorwinkel verschiedene Wellenlängen (Energien) aus der Wellenlängenverteilung extrahiert werden können.

Da Neutronen keine elektrische Ladung tragen, können sie nicht direkt mit den auf Ionisierung beruhenden Detektoren nachgewiesen werden. Der Nachweis von Neutronen geschieht mittels Neutronendetektoren.

Klassifizierung

Der Wirkungsquerschnitt von Reaktionen zwischen Neutronen und anderen Teilchen variiert stark mit der kinetischen Energie der Neutronen. Folgende Klassifikation hat sich herausgebildet:

|| 12.8 - 6.4

kinetische Energie

Wellenlänge ^*

kalte Neutronen

< 2 meV

thermische Neutronen

< 100 meV

6.4 - 0.9

epithermische Neutronen

< 1 eV

0.9 - 0.28

mittelschnelle Neutronen

0.5 eV bis 10 keV

schnelle Neutronen

10 keV bis 20 MeV

relativistische Neutronen

> 20 MeV

Literatur

Dirk Dubbers, Reinhard Scherm: Neutronen-Forschung am Institut Laue-Langevin. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 108 - 111 (2003),
Arno Hiess, Helmut Schober: Neutronen-Spektroskopie an Festkörpern: Mit Neutronen auf der Spur der Elektronen. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 112 - 118 (2003),
Torsten Soldner: Neutronen in der Teilchenphysik: Das Neutron, der Kosmos und die Kräfte. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 127 - 132 (2003),
M. Honal, W. Scherer, G. Eckold: Wozu brauchen Chemiker Neutronen? Nachrichten aus der Chemie 51(11), S. 1133 – 1138 (2003),

Weblinks

http://alephwww.physik.uni-siegen.de/~brandt/abend/sld033.html
http://neutra.web.psi.ch/What/d/physic.html
Tabellenwerte vom CODATA/NIST: http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html
Nachweis und Erzeugung: http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/versuche/11neutron/wissenswertes.htm

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