Neutron

Neutron
Klassifikation
Elementarteilchen Fermion Hadron Baryon Nukleon
Eigenschaften
Quark Zusammensetzung 2 Down, 1 Up Ladung 0  C Ruhemasse 1,008 664 915 78(55) u = 1,674 927 16(13)⋅10-27 kg = 1838,683 6550(40) × me Ruheenergie 939,565 330(38) MeV = 1,505 349 46(12)⋅10-10 J 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 langlebiges, elektrisch neutrales Elementarteilchen 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.

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

Die Ruhemasse des Neutrons ist um etwa 1,293 MeV etwas größer als die eines Protons. Der Durchmesser des Neutrons beträgt etwa 1,6 $\cdot$ 10^-15 m.

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 $886,7\pm 1,9$ Sekunden (knapp 15 Minuten):

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

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 wesentliche 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.

Freie Neutronen werden von vielen Atomkernen absorbiert. Die bei dieser Reaktion entstehenden neuen Atomkerne sind oft radioaktiv; einige wenige Atomkerne spalten sich spontan nach dem Einfangen eines Neutrons. Man unterscheidet zwischen schnellen Neutronen (E>1MeV) und thermischen Neutronen. Zum Abbremsen (Moderation) von Neutronen müssen Kerne geringer Massenzahl verwendet werden, da der Energieverlust über Stöße erfolgt. In vielen Kernreaktoren (Druck- und Siedewasserreaktoren) entstehen schnelle Neutronen und werden mittels eines geeigneten Moderators (Wasser, Graphit, Deuterium) auf für die Kernspaltung passende Energie abgebremst.

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 elektromagnetische 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 damit über ein Magnetisches Moment verfügen.

Geschichte der Entdeckung und Erforschung

Die ersten Schritte zur Entdeckung des Neutrons wurden von Walther Bothe und seinem Student 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. Es gab keinen Zweifel: Die Energie stammte aus der Kernspaltung! Bei der Bestrahlung von Beryllium mit Alphateilchen entstand nicht – wie zuvor erwartet – Bor, sondern Kohlenstoff.

${}_{4}^{9}\mathrm {B} e+{}_{2}^{4}\mathrm {H} e^{2+}\to {}_{6}^{12}\mathrm {C} +{}_{0}^{1}\mathrm {n}$

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 Bewegungen zu versetzen. Eine genauere Analyse zeigte, dass die Energie dieser „Gammastrahlung“ so groß hätte sein müssen, dass sie alles bisher Bekannte weit übertroffen hätte. Somit kamen mehr und mehr Zweifel auf, daß es sich bei der beobachteten Strahlung wirklich um Gammastrahlen handelte. Entsprechend des Versuchsaufbaus nannte man die Stahlung 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 sogenannter „Rückstoß-Protonen“ in der Wilsonschen Nebelkammer belegen. Als Auslöser für die Rückstoß-Protonen 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 eine Teilchenstrahlung, bestehend aus 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.

Erzeugung und Nachweis von Neutronen

Es gibt viele verschiedene Arten von Neutronenquellen.

In der Forschung finden vor allem Neutronen aus Kernreaktoren Anwendung. Dort werden die Neutronen über Kernreaktionen im Reaktorineeren erzeugt. Diese Neutronen haben eine thermische Geschwindigkeitsverteilung, die kinetische Energie dieser Neutronen ist also „unscharf“. Durch besondere konstruktive Maßnahmen im Reaktorinneren und im Strahlengang der erzeugten Neutronen ist es möglich, so genannte kalte Neutronen zu erzeugen, die eine sehr scharfe Energieverteilung aufweisen und die sich besonders gut zu Untersuchungen zur Struktur der Materie nutzen lassen (elastische und inelastische Neutronenstreuung).

In kleinen Anlagen werden auch Kombinationen aus Alpha-Strahlern mit leichten Targetkernen wie Beryllium verwendet (siehe vorstehenden Abschnitt).

Größere Mengen von Neutronen mit definierter Energie können in Spallationsquellen erzeugt werden.

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:

		kinetische Energie		Wellenlänge [Å]
kalte Neutronen		< 2 meV		12.8 - 6.4
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), ISSN 0031-9252
• 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), ISSN 0031-9252
• Torsten Soldner: Neutronen in der Teichenphysik: Das Neutron, der Kosmos und die Kräfte. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 127 - 132 (2003), ISSN 0031-9252
• M. Honal, W. Scherer, G. Eckold: Wozu brauchen Chemiker Neutronen? Nachrichten aus der Chemie 51(11), S. 1133 – 1138 (2003), ISSN 1439-9598

Web-Links

• 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

Siehe auch:

Vorlage:Wiktionary1 Neutronenbombe