Neutron

Grundaufbau und Eigenschaften

Das Neutron (Formelzeichen n) ist ein elektrisch neutrales subatomares Teilchen und neben dem Proton Bestandteil fast aller Atomkerne. Nur der Kern des häufigsten Wasserstoffisotops Protium (¹H) besteht ausschließlich aus einem Proton. Protonen und Neutronen heißen gemeinsam Nukleonen. Das Neutron ist ein Baryon, also ein aus drei Quarks aufgebautes Teilchen, und gehört zu den Hadronen und Fermionen.

Ein Neutron besteht aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks (udd). Es besitzt den Spin 1/2 und die positive Parität 1/2⁺. Seine Masse beträgt 1,00866491606(40) u beziehungsweise 1,67492750056(85) · 10⁻²⁷ kg; seine Ruheenergie beträgt 939,56542194(48) MeV. Damit liegt sie etwa 1,3 MeV oder 0,14 % über der Ruheenergie des Protons.

Obwohl das Neutron insgesamt ungeladen ist, hat es ein magnetisches Moment von etwa −1,91 Kernmagnetonen. Es ist räumlich ausgedehnt und besitzt einen Durchmesser von ungefähr 1,7 · 10⁻¹⁵ m. Sein mittlerer quadratischer Ladungsradius beträgt ⟨r²⟩ = −0,1155(17) fm². Der negative Wert lässt sich so deuten, dass die negativ geladenen Down-Quarks im Mittel etwas weiter vom Zentrum entfernt sind als das Up-Quark.

Das Neutron unterliegt allen vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen. Die Kernkraft als Restwirkung der starken Wechselwirkung bindet Neutronen in Atomkernen und bestimmt ihre Stöße mit Kernen. Wegen seines magnetischen Moments wirkt auch die elektromagnetische Wechselwirkung auf das Neutron. Die schwache Wechselwirkung ermöglicht seinen Betazerfall; außerdem unterliegt es der Gravitation. Das Antiteilchen heißt Antineutron und wurde 1956 von Bruce Cork am Bevatron nachgewiesen. Ein kurzlebiges, ungebundenes System aus zwei Neutronen wird Dineutron genannt.

Zerfall und Rolle im Atomkern

Ein freies, also nicht in einem Atomkern gebundenes Neutron ist instabil. Als Beta-Minus-Strahler zerfällt es in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino; dabei werden 0,78 MeV frei:

n → p + e⁻ + ν̄ₑ + 0,78 MeV.

Die mittlere Lebensdauer beträgt etwa 878 Sekunden, also knapp 15 Minuten; dies entspricht einer Halbwertszeit von ungefähr 610 Sekunden. Für ein instabiles Hadron ist das außergewöhnlich lang. In normaler Materie wird ein freies Neutron jedoch meist schon innerhalb von Sekundenbruchteilen von einem Atomkern absorbiert. Daher ist sein Zerfall für praktische Anwendungen meist bedeutungslos, aber für das Verständnis der schwachen Wechselwirkung und der Entstehung leichter Elemente im frühen Universum wichtig.

Zwei Messverfahren liefern bisher unterschiedliche Lebensdauern. Die Strahl-Methode ergibt 888,0 ± 2,0 s, die Flaschen-Methode 879,6 ± 0,6 s; neuere Flaschenmessungen ergaben 877,7 ± 0,8 s (2018) und 877,75 ± 0,38 s (2021). Der Unterschied von ungefähr 1 % besitzt inzwischen eine Signifikanz von etwas mehr als 4 σ; seine Ursache ist unbekannt.

In Atomkernen beeinflussen die Zahlen der Protonen Z und Neutronen N die Stabilität. Atome mit derselben Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl heißen Isotope. Bei leichten stabilen Kernen gilt ungefähr N/Z ≈ 1; beispielsweise enthält ⁴⁰Ca je 20 Protonen und Neutronen. Bei schweren Kernen steigt das günstige Verhältnis bis etwa N/Z ≈ 1,5, etwa bei ²⁰⁸Pb, weil die elektrische Abstoßung zwischen den vielen Protonen stärker wird.

Ein neutronenreicher Kern kann durch β⁻-Zerfall ein Neutron in ein Proton umwandeln. Ein neutronenarmer Kern kann durch β⁺-Zerfall ein Proton in ein Neutron umwandeln; die Massenzahl bleibt jeweils gleich. Bei einem freien Proton ist der zweite Vorgang nicht möglich:

p + 1,80 MeV → n + e⁺ + νₑ.

Beim Elektroneneinfang reagiert ein Proton im Kern mit einem Elektron der Atomhülle:

p + e⁻ + 0,78 MeV → n + νₑ.

Diese Umkehrung des Neutronenzerfalls tritt auch unter den extremen Bedingungen bei der Entstehung eines Neutronensterns auf.

Erzeugung, Nachweis und Energieklassen

Freie Neutronen werden in Neutronenquellen aus Atomkernen freigesetzt. Forschungsreaktoren liefern sie durch Kernspaltung; eine neuere Alternative sind Spallationsquellen. Die zunächst schnellen Neutronen besitzen meist 2 bis 5 MeV. Für Untersuchungen kondensierter Materie müssen sie auf ungefähr ein Millionstel ihrer Bewegungsenergie abgebremst werden. Dazu dienen Moderatoren, also Stoffe, in denen Neutronen durch Stöße Energie verlieren.

Weil Neutronen ungeladen sind, lassen sie sich nicht unmittelbar mit Detektoren nachweisen, die auf Ionisierung beruhen. Bei Energien unter ungefähr 100 keV nutzt man Kernreaktionen, deren geladene Produkte messbar sind, beispielsweise:

n + ³He → ³H + ¹H + 0,764 MeV.

Bei höheren Energien kann der Rückstoß eines geladenen Teilchens, meistens eines Protons, beim Zusammenstoß mit einem Neutron nachgewiesen werden.

Da die Wechselwirkung mit Materie stark von der kinetischen Energie abhängt, werden freie Neutronen danach klassifiziert; die Grenzen werden allerdings nicht überall einheitlich verwendet:

• Ultrakalte Neutronen (UCN): bis 0,23 µeV, bis 6,8 m/s und bis 1,8 mK. • Sehr kalte Neutronen (VCN): ungefähr 0,1 meV, 150 m/s und 1 K. • Kalte Neutronen: unter 25 meV, 2,2 km/s und 200 K. • Thermische Neutronen: ungefähr 25 meV, 2,2 km/s und 200 K. • Epithermische Neutronen: 25 meV bis 1 eV, 2,2 bis 15 km/s und 200 K bis 8 kK. • Resonanzneutronen: 1 bis 100 eV, 15 bis 150 km/s und 8 bis 800 kK. • Mittelschnelle Neutronen: 100 eV bis 500 keV, 150 bis 10 000 km/s und 800 kK bis 4 GK. • Schnelle Neutronen: über 500 keV, über 10 000 km/s und über 4 GK.

Der Oberbegriff langsame Neutronen umfasst Energien bis 100 eV, Geschwindigkeiten bis 150 km/s und Temperaturen bis 800 kK.

Aufbereitung von Neutronenstrahlen

Durch Moderation lassen sich schnelle Neutronen bis ungefähr auf die Temperatur des Moderators abbremsen. Tiefgekühlte Moderatoren erzeugen kalte oder sehr kalte Neutronen; Neutronenzentrifugen können sie noch weiter kühlen. An Forschungsreaktoren dienen zusätzliche Moderatoren als sekundäre Neutronenquellen. Kalte Neutronen werden häufig mit flüssigem Deuterium bei etwa 20 K erzeugt, heiße Neutronen meist mit Graphit bei etwa 3000 K. Kalte, thermische und heiße Neutronen besitzen jeweils eine mehr oder weniger breite Energie- und Wellenlängenverteilung.

Strahlrohre oder Neutronenleiter führen die Neutronen aus dem Moderatortank beziehungsweise der sekundären Quelle zu den Experimenten. Im Reaktorkern müssen zugleich genügend Neutronen verbleiben oder dorthin zurückreflektiert werden, damit die Kettenreaktion erhalten bleibt.

Ultrakalte Neutronen bewegen sich mit weniger als 6,8 m/s. Sie können magnetisch, mechanisch oder durch Gravitation gespeichert werden. Wände aus Beryllium, Berylliumoxid, Magnesium, Aluminium oder Nickel reflektieren sie unterhalb einer materialabhängigen Grenzenergie. Dadurch sind Beobachtungszeiten von mehreren Minuten möglich.

Viele Experimente benötigen monoenergetische, also möglichst gleich energiereiche Neutronen. An Reaktoren werden sie mit einem Monochromator ausgewählt. Ein solcher Einkristall oder Mosaik-Kristall kann etwa aus Silizium, Germanium, Kupfer oder Graphit bestehen. Bestimmte Bragg-Reflexe und Monochromatorwinkel wählen die gewünschte Wellenlänge und damit Energie aus. Monochromatische Neutronen höherer Energie lassen sich an Beschleunigern durch geeignete Kernreaktionen erzeugen.

Prozesse, Wirkungen und Anwendungen

Neutronen können an Atomkernen elastisch oder inelastisch gestreut werden und Kernreaktionen auslösen. Bei elastischer Streuung schneller Neutronen an leichten Kernen übertragen sie Bewegungsenergie und werden dadurch bis zu thermischen Energien abgebremst. Bei inelastischer Streuung bleibt der getroffene Kern angeregt und kehrt meist unter Aussendung von Gammastrahlung in den Grundzustand zurück.

Viele Kerne absorbieren besonders leicht thermische Neutronen. Wird dabei nur Gammastrahlung und kein massives Teilchen ausgesendet, heißt der Vorgang Neutroneneinfang. Es entsteht ein um eine Masseneinheit schwereres Isotop, das radioaktiv sein kann; diese Erzeugung von Radioaktivität heißt Neutronenaktivierung. Nuklide mit besonders großem Absorptions-Wirkungsquerschnitt heißen Neutronenabsorber. Technisch verwendet man vor allem ¹¹³Cd und ¹⁰B, beispielsweise zur Abschirmung und zur Steuerung von Kernreaktoren.

Einige sehr schwere Nuklide können nach Neutronenabsorption gespalten werden. Werden dabei mehrere neue Neutronen frei, ist eine Kettenreaktion möglich, die große Energiemengen freisetzt. Sie wird in Kernreaktoren kontrolliert und in Kernwaffen unkontrolliert genutzt. Freie thermische bis schnelle Neutronen sind daher für Kernreaktoren, mögliche Kernfusionsreaktoren und Kernwaffen entscheidend. Eine zentrale Größe ist der räumlich und zeitlich veränderliche Neutronenfluss. Er wird mit der Theorie der Neutronendiffusion, der Boltzmann-Gleichung oder Monte-Carlo-Simulationen berechnet.

Neutronenbestrahlung verschlechtert die Eigenschaften von Metallen und anderen Werkstoffen und begrenzt etwa die Lebensdauer von Reaktorkomponenten. In möglichen Fusionsreaktoren wäre das Problem wegen der höheren Neutronenenergien stärker. Auch lebendes Gewebe wird geschädigt: Schnelle Neutronen stoßen vor allem Protonen an, die stark ionisierend wirken. Diese Wirkung wurde gelegentlich zur Krebsbehandlung erprobt. Thermische Neutronen erzeugen beim Einfang durch Wasserstoff Gammastrahlung, die ebenfalls ionisiert.

Entdeckung

Ernest Rutherford sagte 1920 einen neutralen Kernbaustein voraus; William D. Harkins bezeichnete ihn 1921 als Neutron. Walther Bothe und Herbert Becker beobachteten 1930 beim Beschuss von Beryllium mit Alphastrahlung aus Polonium eine sehr durchdringende „Beryllium-Strahlung“, die sie zunächst fälschlich für Gammastrahlung hielten. Die Reaktion lautet:

⁹Be + ⁴α → ¹²C + ¹n,

kurz: ⁹Be(α,n)¹²C.

Irène und Frédéric Joliot-Curie zeigten 1931, dass diese Strahlung aus wasserstoffhaltigem Paraffin schnelle Protonen herausschlug. Eine Erklärung durch Gammastrahlung hätte eine unrealistisch hohe Gammaenergie von etwa 50 MeV verlangt. James Chadwick folgerte deshalb, dass die Strahlung aus elektrisch neutralen Teilchen mit ungefähr der Masse eines Protons bestand. Er bestätigte dies 1932 experimentell, veröffentlichte die Entdeckung des Neutrons und erhielt dafür 1935 den Nobelpreis für Physik.

Die hohe Ausbeute der verwendeten Anordnung erklärt sich durch den Energiegewinn der ⁹Be(α,n)-Reaktion von 5,7 MeV und die hohe natürliche Alphaenergie von ²¹⁰Po von 5,3 MeV. Mit der Entdeckung wurde das grundlegende Atommodell vervollständigt: Ein Kern aus Protonen und Neutronen wird von Elektronen umgeben. Werner Heisenberg stellte ebenfalls 1932 seine Nukleonentheorie auf. Die frühere Vorstellung, das Neutron sei eine Verbindung aus Proton und Elektron, hielt sich noch bis 1940; erst die weitere Entwicklung von Quantenmechanik und Kernphysik zeigte, dass Elektronen keine dauerhaften Kernbestandteile sind.