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