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Forschen mit Neutronen

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Neutronen sind neutrale Teilchen. Zusammen mit Protonen sind sie die Bausteine der Atomkerne. Neutronen wiegen ein klein wenig mehr als die positiv geladenen Protonen. Der Teilchen-Welle Dualismus der Quantentheorie bedeutet, dass Neutronen sich auch wie Materiewellen verhalten. Die Wellenlänge von thermischen Neutronen liegt im Bereich der Atomabstände in kondensierter Materie (Kristalle, Flüssigkeiten).

Weil Neutronen elektrisch neutral sind, dringen sie tief in Materialien ein, sie werden von Atomkernen und magnetischen Momenten (Elektronen) gestreut. So kann die Anordnung und Bewegung der Atome (Atomkerne) in einem geeigneten Streuexperiment bestimmt werden.

Ähnlich wie bei Röntgenstreuung werden Strukturen auf atomarer, molekularer oder nanoskopischer Längenskala sichtbar gemacht. Darüberhinaus erlauben Neutronen die gleichzeitige Analyse der Bewegungen beginnend von schnellen Atomvibrationen bis hin zu langsamen Fluktuation größerer Bereiche. Weiterhin haben leichte Elemente –besonders Wasserstoff—die gleiche Sichtbarkeit wie Schwere und die Streukraft kann beträchtlich zwischen verschiedenen Isotopen eines Elements variieren. Letzteres ermöglicht detailliertere Einblicke mit Hilfe der Technik der „Kontrastvariation“. Magnetische Momente wechselwirken direkt mit den Neutronenspins und liefern ein direktes Signal von Strukturen und Dynamik in magnetischen Materialien.

Die schwache Wechselwirkung mit Materie bedeutet auch, dass Strahlenschäden selbst in empfindlichen (z.B. biologischen) Probe verschwindend klein sind. Auch sind cm dicke Behälterwände für Neutronen durchsichtig, so dass Proben unter extremen Bedingungen wie hohem Druck, extremen Temperaturen oder spezieller Atmosphäre in-situ, in Funktion untersucht werden können. Jede dieser spezifischen Eigenschaften machen Neutronen zu einer einzigartigen, unverzichtbaren Sonde im Werkzeugkasten für die Erforschung kondensierter Materie.

Es ist eine große Herausforderung Strahlenbündel für Streuexperimente mit genügend hohem Fluss von Neutronen definierter Geschwindigkeit und Richtung zu erzeugen. Neutronen in genügender Anzahl für die Forschung werden nur in großen Einrichtungen, Forschungsreaktoren oder Spallationquellen erzeugt. Schnelle Neutronen werden nach ihrer Erzeugung in einem Moderator auf Geschwindigkeiten mit thermischem oder kaltem Spektrum abgebremst. Dann werden sie weiter gefiltert und zu den Instrumenten für Streuexperimente geleitet.


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