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Das freie Neutron -
Ein Geschenk der Natur
Neutronen als Bausteine der Atomkerne machen etwa
die halbe Masse unserer bekannten materiellen Welt
aus. Sie sind der „Klebstoff“, der die positiv geladenen
Protonen im Kern zusammenhält, die sonst durch
elektrostatische Abstoßung explosionsartig auseinander
fl iegen würden. Für die Forschung sind Neutronen
besonders nützlich als freie, nicht im Kern gebundene,
Elementarteilchen. Effi ziente Prozesse zur Freisetzung
von Neutronen aus Kernmaterie sind Kernspaltung
und Spallation. Bei der in den Forschungsreaktoren
ablaufenden Kettenreaktion wird pro Spaltung eines
235
U Kerns etwa ein für die Forschung verwendbares
Neutron freigesetzt. Die Spallation ist ein wesentlich
effizienterer Prozess, bei dem Kernmaterie mit hochenergetischen
Protonen beschossen und dadurch in
einen angeregten Zustand aufgeheizt wird. Je nach
Targetmaterial (Uran, Blei, Quecksilber,…) und Protonenenergie
(typisch etwa 1 GeV) dampfen dabei 20 bis
über 30 Neutronen pro Kern ab.
Labor auf Femtometerskala
Als freie Teilchen sind Neutronen aufgrund der schwachen
Wechselwirkung gegen den -Zerfall nicht stabil
und zerfallen in ein Proton, ein Elektron und ein
Antineutrino. Die Halbwertszeit von ca. 890 s lässt
genügend Zeit für Untersuchungen an freien Neutronen.
Gemäß der Standardtheorie der Elementarteilchenphysik
bestehen Neutronen aus drei Quarks - ein „up“- und
zwei „down“-Quarks, die durch Gluonen zusammengehalten
werden. Sie stellen ein hochempfi ndliches Labor
auf der Femtometerskala dar, welches Präzisionstests
der Standardtheorie erlaubt. Die experimentell bestimmten
Werte für Ladung, magnetisches Monopolmoment
und elektrisches Dipolmoment des Neutrons
sind alle mit 0 verträglich, und sie wurden mit der
unglaublichen Genauigkeit von 10 -21 e, 10 -20 e/2 bzw.
10 -25 e·cm gemessen (e = Elementarladung, = Feinstrukturkonstante).
Außergewöhnliche Sonde
Freie Neutronen sind noch in einem ganz anderen Sinn
ein „Geschenk der Natur“, nämlich als Sonde mit ganz
außergewöhnlichen Eigenschaften für Untersuchungen
kondensierter Materie. Sie ermöglichen uns einen tiefen
Einblick ins Innere kondensierter Materie und machen
in der Neutronenstreuung Strukturen von Pikometern
bis Mikrometern und Bewegungen auf Zeitskalen von
Pikosekunden bis Mikrosekunden der Untersuchung
zugänglich. Mit abbildenden und kinematischen Verfahren
werden noch größere Strukturen und langsamere
Bewegungen sichtbar. Als solche ausgezeichnete
Sonden sind Neutronen unerlässlich für so unterschiedliche
Gebiete wie Physik, Chemie, Kristallographie,
Materialwissenschaften, Biologie, Geowissenschaften,
Ingenieurwissenschaften bis hin zu Archäologie und
Kunstgeschichte.
Abb. 2.2. Neutronenradiographie und schematische
Darstellung einer Ariane-Sprengkapsel.
Hohe Eindringtiefe
Als elektrisch neutrale Teilchen dringen Neutronen
tief in Materie ein - viele Zentimeter in den typischen
technischen Strukturmaterialien. Zum Vergleich: die
Eindringtiefe von Röntgenstrahlung in Übergangsmetallen
beträgt nur wenige Mikrometer bei 10 keV Photonenenergie
und wenige Millimeter bei 100 keV! Mit
Neutronen können Eigenspannungen tief im Innern von
mechanisch belasteten Teilen bestimmt werden.
Zerstörungsfrei
Neutralität hat noch andere wesentliche Vorteile: da
die starke Coulomb-Wechselwirkung entfällt, erlauben
Neutronen zerstörungsfreie Untersuchungen, auch von
empfi ndlichen biologischen Proben. Und nicht zuletzt
können aufgrund der hohen Eindringtiefe komplexe
Probenumgebungen eingesetzt werden, was Untersuchungen
bei extremen Drücken, Temperaturen und
Feldern ermöglicht.
Günstige Wellenlängen und Energien
Die moderne Festkörperforschung führt makroskopische
Eigenschaften kondensierter Materie zurück
auf den atomaren Aufbau, d. h. auf Anordnung und
Bewegung der atomaren Bausteine. Zur experimentellen
Bestimmung dieser Größen ist ein passender
raumzeitlich atomarer Maßstab nötig. Mit Wellenlängen
im Bereich von Atomabständen und Energien, die den
typischen Anregungsenergien in kondensierter Materie
entsprechen, erfüllen Neutronen in idealer Weise diese
Funktion als „Spion in der Nanowelt“. Neutronenstreuung
deckt den relevanten Parameterbereich im Raum-
Zeit-Diagramm ab. Sie erlaubt Strukturbestimmung
von 10 -4 Å bis 10 5 Å, Neutronentomographie eröffnet
den Zugang zur makroskopischen Welt von Mikrometern
bis Metern. Dynamik kondensierter Materie wird
zugänglich im Zeitfenster von 100 fs bis 100 µs, was so
unterschiedliche Prozesse abdeckt wie Diffusion, Magnonen,
Phononen, Tunnelprozesse, bis hin zu Reptation
von großen Polymerketten. Schließlich erlauben kinetische
Messungen, an die makroskopischen Zeiten von
Millisekunden bis Stunden anzuschließen.
Frequenz [Hz]
Länge d=2/Q [Å]
10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1
10 14
optische Raman-
10 0
10 12 Spektroskopie
10 -2
10 10
Neutronen- und 10 -4
optische Brillouin-
10 8
Röntgenstreuung
Spektroskopie
10 -6
10 6
10 -8
10 4 optische
Röntgen-Photonen- 10 -10
Korrelationsspektroskopie
10
10 2 Photonenkorrelationsspektroskopie
10 -14
PCS
-12
XPCS
10 0
zeitaufgelöste Röntgenund
Neutronenstreuung
10 -2
10 -16
10 16 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0
Streuvektor Q [Å -1 ]
Energie E=h [eV]
Abb. 2.1. Links: Hoher Druck und hohe Temperaturen sind wichtig bei Untersuchungen in Geologie und Umweltforschung.
Rechts: Hohe Felder und tiefe Temperaturen sind essentiell für Untersuchungen an magnetischen Systemen.
Abb. 2.3. Günstige Wellenlängen und Energien.
Abb. 2.4. Magnetische Struktur von Er 6
Mn 23
.
14 Was macht Neutronen so einzigartig 15