Neutron

Das Neutron [] (Plural Neutronen []) ist ein elektrisch neutrales subatomares Teilchen. Es ist neben dem Proton Bestandteil fast aller Atomkerne und somit der uns vertrauten Materie. Neutron und Proton, gemeinsam Nukleonen genannt, gehören als Baryonen zu den Fermionen und den Hadronen. Üblicherweise wird das Neutron mit dem Formelzeichen bezeichnet.

Wenn ein Neutron nicht in einem Atomkern gebunden ist – man nennt es dann auch „frei“ –, ist es instabil, allerdings mit vergleichsweise langer mittlerer Lebensdauer von 878 s (dies entspricht einer Halbwertszeit von 610 s). Es wandelt sich durch Betazerfall um in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino.

Die Neutronenforschung ist ein physikalisches Fachgebiet, historisch bekannt als Neutronenphysik. Des Weiteren schaffen die Kern- und die Teilchenphysik weitere Grundlagen für die Forschung an und mit Neutronen. Anwendungen finden sich unter anderem in der Kerntechnik, speziell seien hier die Forschungsreaktoren als Neutronenquellen genannt.

Physikalische Beschreibung Elementare Eigenschaften Das Neutron trägt keine elektrische Ladung (daher der Name), aber ein magnetisches Moment von −1,91 Kernmagnetonen. Seine Masse beträgt rund 1,675 · 10−27 kg (1,008 665 u). Es ist als Baryon aus drei Quarks zusammengesetzt – einem up-Quark und zwei down-Quarks (Formel udd). Das Neutron hat den Spin 1/2 und ist damit ein Fermion. Als zusammengesetztes Teilchen ist es räumlich ausgedehnt, mit einem Durchmesser von ca. 1,7 · 10−15 m. Der mittlere quadratische Ladungsradius beträgt . Diesen von Null verschiedenen, negativen Wert kann man so interpretieren, dass die negativ geladenen down-Quarks im Mittel etwas weiter vom Zentrum entfernt sind als das up-Quark.

Das Antiteilchen des Neutrons ist das Antineutron, das erstmals 1956 von Bruce Cork am Bevatron bei Proton-Proton-Stößen nachgewiesen wurde.

Ein kurzlebiges, beobachtbares, aber nicht gebundenes System aus zwei Neutronen ist das Dineutron.

Elementare Wechselwirkungen Das Neutron unterliegt allen in der Physik bekannten vier Wechselwirkungen: der Gravitationskraft, der starken, der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung.

Die starke Wechselwirkung – genauer die Kernkraft, eine Art Restwechselwirkung der zwischen den Quarks wirkenden starken Wechselwirkung – ist dafür verantwortlich, dass Neutronen in Kernen gebunden sind, und bestimmt auch das Verhalten von Neutronen bei Stößen mit Atomkernen.

Das Neutron ist zwar elektrisch neutral und unterliegt damit nicht der elektrostatischen Anziehung oder Abstoßung, aber aufgrund seines magnetischen Moments trotzdem der elektromagnetischen Wechselwirkung. Diese Tatsache sowie die räumliche Ausdehnung sind klare Indizien dafür, dass das Neutron ein zusammengesetztes Teilchen ist.

Die schwache Wechselwirkung ist verantwortlich für den Betazerfall des (freien, s. unten) Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino.

Zerfall und Lebensdauer Das Neutron hat mit 939,6 MeV eine um 1,3 MeV (0,14 %) größere Ruheenergie als das Proton. Es zerfällt, falls es nicht in einem Atomkern gebunden ist, als Beta-Minus-Strahler (β−-Strahler) in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino: .

Die mittlere Lebensdauer des Neutrons beträgt etwa 878 Sekunden (knapp 15 Minuten); dies entspricht einer Halbwertszeit von etwa 610 Sekunden. Das ist die mit Abstand größte Halbwertszeit aller instabilen Hadronen. Sie ist schwierig zu messen, denn ein in normaler materieller Umgebung (auch in Luft) freigesetztes Neutron wird meist in Sekundenbruchteilen wieder von einem Atomkern absorbiert, „erlebt“ seinen Zerfall also nicht. Dementsprechend ist der Zerfall bei praktischen Anwendungen bedeutungslos, und das Neutron kann dafür als stabiles Teilchen angesehen werden.K. Wirtz, K. H. Beckurts: Elementare Neutronenphysik. Springer, 1958, Seite 2 Grundlagenphysikalisch ist der Zerfall jedoch interessant. In einer frühen Phase des Universums machten freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus; man kann die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung) besser nachvollziehen, wenn die Lebensdauer des Neutrons genau bekannt ist. Außerdem erhofft man sich ein besseres Verständnis der schwachen Wechselwirkung.

Die Lebensdauer des Neutrons kann mit Hilfe zweier verschiedener Methoden bestimmt werden: mit der Strahl-Methode, die 888,0 ± 2,0 s ergibt, und der Flaschen-Methode, die 879,6 ± 0,6 s (nach neueren Messungen 877,7 ± 0,8 s (2018)R. W. Pattie Jr. u. a.: Measurement of the neutron lifetime using a magneto-gravitational trap and in situ detection. In: Science Bd. 360, 2018, S. 627, DOI:10.1126/science.aan8895 bzw. 877,75 ± 0,38 s (2021)F. M. Gonzalez et al. (UCNτ Collaboration): Improved Neutron Lifetime Measurement with UCNτ, Phys. Rev. Lett. 127, 162501 (2021)) ergibt. Mit Verbesserung der Messmethoden ist dieser Unterschied von ca. 1 %, den man anfangs für einen Messfehler hielt, immer signifikanter geworden und liegt mittlerweile bei etwas mehr als 4 σ.Natalie Wolchover: Zwiespältige Stabilität des Neutrons, in Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/2018, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg, S. 26–28. Die Ursache ist unbekannt.

Neutronen als Bestandteile von Atomkernen Mit Ausnahme des häufigsten Wasserstoffisotops (Protium, 1H), dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht, enthalten alle Atomkerne sowohl Protonen als auch Neutronen. Atome mit gleicher Protonenanzahl, aber unterschiedlicher Neutronenanzahl heißen Isotope. Die Teilchenarten Proton und Neutron werden zusammenfassend Nukleonen (von lateinisch nucleus, Kern) genannt.

β−- und β+-Zerfall von Atomkernen

Wie stark ein Atomkern gebunden ist, hängt von der Zahl der Protonen Z und Neutronen N, vor allem aber vom Verhältnis dieser Zahlen ab. Bei leichteren Kernen ist die Bindung bei etwa gleicher Anzahl (N/Z ≈ 1) am stärksten (z. B. ist bei der Massenzahl 40 der stabilste Kern 40Ca mit je 20 Protonen und Neutronen); bei großen Massenzahlen verschiebt sich das Verhältnis bis hin zu N/Z ≈ 1,5, z. B. in 208Pb, da mit wachsendem Z die elektrische Abstoßung der Protonen zunehmend destabilisierend wirkt. Dieser Unterschied in der Bindungsenergie wirkt sich stärker als der eher geringe Massenunterschied von Proton und Neutron aus, so dass von Kernen gleicher Massenzahl diese jeweils am stabilsten sind.

Ein zu neutronenreicher Kern kann sich – wie das freie Neutron – durch β−-Zerfall unter Beibehaltung der Massenzahl in einen Kern umwandeln, der ein Neutron weniger und ein Proton mehr hat. Dabei hat sich ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dagegen kann sich ein zu neutronenarmer Kern durch β+-Zerfall in einen Kern umwandeln, der ein Neutron mehr und ein Proton weniger hat. Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, ein Vorgang, der bei freien Protonen nicht möglich ist. . Die Umkehrung des Neutronenzerfalls tritt auf, wenn ein protonenreicher Atomkern mit einem Elektron der Atomhülle reagiert (Elektroneneinfang) sowie unter den extremen Bedingungen bei der Entstehung eines Neutronensterns: .

Freie Neutronen Erzeugung Es gibt viele verschiedene Arten von Neutronenquellen, in denen Neutronen aus Atomkernen freigesetzt werden.

Zur Untersuchung von kondensierter Materie durch elastische und inelastische Neutronenstreuung werden vor allem Neutronen aus Forschungsreaktoren genutzt. Dort werden die Neutronen bei der Kernspaltung frei. Diese schnellen Neutronen haben Energien im Bereich von einigen MeV und müssen für Materialuntersuchungen erst auf rund ein Millionstel ihrer Bewegungsenergie abgebremst werden. Eine neuere Alternative zu Forschungsreaktoren sind Spallationsquellen.

Nachweis Da Neutronen keine elektrische Ladung tragen, können sie nicht direkt mit auf Ionisierung beruhenden Detektoren nachgewiesen werden. Der Nachweis von Neutronen geschieht mittels Neutronendetektoren. Bei niedrigen Neutronenenergien (unter etwa hundert keV) beruhen diese stets auf einer geeigneten Kernreaktion, z. B. Neutronenabsorption mit anschließendem Zerfall:

 siehe Neutronendetektion mit Helium-3

Bei höheren Energien kann auch der Rückstoß ausgenutzt werden, den ein geladenes Teilchen (meist Proton) bei der Streuung des Neutrons erfährt.

Klassifizierung Die Wechselwirkung freier Neutronen mit Materie ist je nach ihrer kinetischen Energie sehr verschieden. Deswegen werden Neutronen nach ihrer Energie klassifiziert. Die Bezeichnungen werden nicht ganz einheitlich verwendet. Folgende Tabelle ist angelehnt anE. B. Paul: Nuclear and Particle Physics. North Holland, 1969, Seite 151–152:

{| class="wikitable" ! Klassifizierung || kinetische Energie || Geschwindigkeit || Temperatur |- | Langsame Neutronen || bis 100 eV || bis 150 km/s || bis 800 kK |- |   Ultrakalte Neutronen (UCN) || bis 0,23 µeV || bis 6,8 m/s || bis 1,8 mK |- |   Sehr kalte Neutronen (VCN) || ~ 0,1 meV || ~ 150 m/s || ~ 1 K |- |   Kalte Neutronen || unter 25 meV || unter 2,2 km/s|| unter 200 K |- |   Thermische Neutronen || etwa 25 meV || etwa 2,2 km/s || etwa 200 K |- |   Epithermische Neutronen || 25 meV bis 1 eV || 2,2 km/s bis 15 km/s || 200 K bis 8 kK |- |   Resonanzneutronen || 1 eV bis 100 eV || 15 km/s bis 150 km/s || 8 kK bis 800 kK |- | Mittelschnelle Neutronen || 100 eV bis 500 keV || 150 km/s bis 10 000 km/s || 800 kK bis 4 GK |- | Schnelle Neutronen || über 500 keV || über 10 000 km/s || über 4 GK

Neutronenquellen, egal welcher Art, erzeugen schnelle Neutronen mit 2 MeV bis 5 MeV. Durch Moderatoren können diese auf Temperaturen bis zu der des Moderators abgebremst werden. Je nach Stärke der Moderation sind so mittelschnelle bis hin zu thermischen Neutronen erzeugbar. Mit Hilfe tiefgekühlter Moderatoren sind kalte bis sehr kalte Neutronen (VCN) erzeugbar. Noch weiter können Neutronen mit Hilfe von Neutronenzentrifugen gekühlt werden.

„Kalte“ und „heiße“ Neutronen Mit zusätzlichen Moderatoren hoher oder niedriger Temperatur kann das Energiespektrum der Neutronen verschoben werden. Diese zusätzlichen Moderatoren an Forschungsreaktoren bezeichnet man auch als sekundäre Neutronenquellen. Zur Gewinnung „kalter“ Neutronen dient häufig flüssiges Deuterium mit einer Temperatur von etwa 20 K. „Heiße“ Neutronen werden in der Regel mit Graphit-Moderatoren bei etwa 3000 K erzeugt. Kalte, thermische und heiße Neutronen weisen jeweils eine bestimmte, mehr oder weniger breite Energieverteilung und damit Wellenlängenverteilung auf.

Die Neutronen aus einem Forschungsreaktor werden durch Strahlrohre (Neutronenleiter) 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 aufrechtzuerhalten.

Ultrakalte Neutronen (UCN) haben nur sehr geringe kinetische Energie und bewegen sich mit weniger als 6,8 m/s, so dass sie sich magnetisch, mechanisch oder gravitativ speichern lassen. Von Gefäßwänden aus Beryllium, Berylliumoxid, Magnesium, Aluminium oder Nickel werden sie unterhalb einer materialabhängigen Grenzenergie reflektiert. Speicherexperimente ermöglichen minutenlange Beobachtungsdauern, viel länger als bei Experimenten an Neutronenstrahlen.Cold Neutron and Ultracold Neutron Sources

Monochromatische Neutronen Für viele Experimente werden monoenergetische Neutronen, also Neutronen einheitlicher Energie, benötigt. Diese erhält man an Reaktoren z. B. durch den Einsatz eines Monochromators. Dies ist ein Einkristall oder Mosaik-Kristall aus beispielsweise Silizium, Germanium, Kupfer oder Graphit; durch Nutzung bestimmter Bragg-Reflexe und Monochromatorwinkel können verschiedene Wellenlängen (Energien) aus der Wellenlängenverteilung ausgewählt werden (siehe auch Neutronensuperspiegel).

Monochromatische Neutronen höherer Energien können an Beschleunigern aus geeigneten Kernreaktionen gewonnen werden.

Wirkung von Neutronenstrahlen