Neutron

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Einleitung

Neutron (von lateinisch neutrum: keines von beiden), Symbol n, Elementarteilchen, das nach außen hin elektrisch neutral (daher der Name) und zusammen mit dem Proton Bestandteil des Atomkerns ist; Neutron und Proton werden daher auch Nukleonen genannt (Kernteilchen, von lateinisch nucleus: Kern).

Das Neutron ist mit einer Masse von 1,675×10^-27 Kilogramm um rund ein achtel Prozent schwerer als das Proton und gehört zur Teilchenfamilie der Baryonen. Ferner zählt es zu den Fermionen, weil es einen Eigendrehimpuls oder Spin von ħ/2 (= h/4p) besitzt. Die Existenz des Neutrons wurde 1920 von dem britischen Physiker Ernest Rutherford postuliert und 1932 von seinem Kollegen und ehemaligen Schüler James Chadwick erstmals nachgewiesen.

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Vorkommen und Nachweis

Neutronen kommen praktisch in den Atomkernen aller chemischen Elemente vor, deren Massenzahl größer als eins ist. Freie, vom Kern losgelöste Neutronen entstehen bei Kernspaltungen (siehe Kernenergie) oder Kernreaktionen wie etwa beim Zusammenstoß von Berylliumatomen (⁹Be) und Alphateilchen (⁴He):

9Be + 4He → 12C + 1n.

Freie Neutronen sind instabil, d. h., sie wandeln sich durch Betazerfall in Proton, Elektron und Antielektronneutrino um. Die Halbwertszeit freier Neutronen liegt bei T_1/2 = 616 Sekunden, ihre mittlere Lebensdauer bei etwa 900 Sekunden.

Neutronen lassen sich indirekt über Kernreaktionen nachweisen, d. h. durch bestimmte dabei freigesetzte Produkte, z. B. Protonen (p) oder Tritium (³H) bei der Reaktion mit Helium-3:

1n + 3He → 3H + 1p.

Eine andere Möglichkeit des Nachweises bieten Rückstreu- oder Rückstoßreaktionen an wasserstoffhaltigen Substanzen (z. B. Kohlenwasserstoffe wie Paraffin). Dabei werden die Neutronen an den Wasserstoffkernen oder Protonen gestreut und geben ihre Energie teilweise an die Protonen ab, die anschließend z. B. mit Szintillationszählern (siehe Teilchendetektoren) registriert werden. Eine dritte Nachweismöglichkeit bietet schließlich eine Art photographische Methode: Die Neutronenstrahlen hinterlassen auf Kernemulsionen Spuren, die durch Streuung der Neutronen an dem Emulsionsmaterial entstehen. Die Spuren macht man anschließend durch chemische Verfahren (Ätzen) sichtbar.

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Innerer Aufbau und weitere Eigenschaften

1947 postulierte der italienische Physiker Enrico Fermi, dass das Neutron in seinem Inneren elektrisch geladen ist. Seine Vermutung konnte erst 2007 bestätigt werden. Demnach ist das Zentrum des Neutrons elektrisch negativ geladen, dann folgt eine positive Ladung und außen wieder eine negative Ladung. Weil positive und negative Ladung gleich groß sind, hebt sich ihre Wirkung nach außen hin auf. Die Ladungen werden von Quarks getragen, denn das Neutron setzt sich aus einem up- und zwei down-Quarks zusammen. Das up-Quark trägt die positive Ladung, die beiden down-Quarks tragen anteilig die negative Ladung.

Weil das Neutron einen Spin hat, besitzt es auch magnetische Eigenschaften. Das magnetische Moment des Neutrons beträgt µ_N = 0,966237×10^-26 Ampere×Quadratmeter bzw. Joule pro Tesla, was 1,9131 Kernmagnetonen oder etwa einem Tausendstel des Bohr’schen Magnetons entspricht.

Neutronen unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung und können sich sowohl wie Teilchen, als auch wie Wellen verhalten (siehe Welle-Teilchen-Dualismus). Daher zeigt ein Neutronenstrahl Interferenzerscheinungen, nachdem er ein Beugungsgitter passiert hat.

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Einteilung und Anwendungen

Neutronen werden nach ihrer unterschiedlich hohen kinetischen Energie in Gruppen eingeteilt. Langsame Neutronen besitzen Energien unterhalb 1 Elektronenvolt (eV). Sie lassen sich in mehrere Untergruppen aufteilen, von denen die wichtigsten die thermischen Neutronen sind (5×10^-3 bis 0,5 eV). Schnelle Neutronen besitzen Energien von 10⁵ Elektronenvolt und mehr, sehr schnelle Neutronen haben Energien von mindestens 5×10⁷ Elektronenvolt.

Neutronenstrahlen werden u. a. zur Aufklärung von Kristallstrukturen, zur Spurenanalyse oder zur Neutronenradiographie verwendet; bei Letzterer handelt es sich um die zerstörungsfreie Durchleuchtung von Materialien. Wegen ihrer ionisierenden Wirkung werden Neutronen auch in der Strahlentherapie genutzt.