Die Eigenschaften der Neutronen

Warum benutzt man eigentlich gerade Neutronen, um eine Probe zu untersuchen? Dafür gibt es mehrere Gründe, die alle mit den besonderen Eigenschaften des Neutrons zu tun haben:

  1. Laut der Quantentheorie kann man jedes Teilchen auch als eine Welle betrachten (sonst könnte ein Teilchen auch nicht gestreut werden). Neutronen haben also auch eine Wellenlänge. Da diese bei langsamen Neutronen gleich dem mittleren Atomabstand ist, kann man die Struktur innerhalb der Probe damit besonders gut untersuchen. Wie man dies tut finden sie unter Streuung.
  2. Die Bewegungsenergie der Neutronen (die sogenannte kinetische Energie) ist in etwa gleich den Schwingungsenergien innerhalb der Atome. Treffen die Neutronen nun auf die Probe, so verändern sie - je nachdem wie die Atome der Probe im Moment schwingen - nennenswert ihre Energie. Durch diese Energieänderung, die man über die Flugzeitspektroskopie messen kann, lässt sich auf die Bewegung der Atome schließen.
  3. Die elektrische Neutralität ermöglicht es den Neutronen, bis tief in Proben einzudringen und so auch die innere Struktur sichtbar zu machen. Außerdem werden sie nicht von den Elektronen, die den Atomkern umgeben, aufgehalten, sondern treten mit dem Atomkern selber in Wechselwirkung.
  4. Verschiedene Materialien lenken Neutronen unterschiedlich stark ab; so streut z.B. schwerer Wasserstoff (d.h. Wasserstoff mit einem Neutron im Kern) viel stärker als leichtes. Taucht man nun die Probe in ein Gemisch aus diesen beiden, so lassen sich damit gezielt Teile des Bildes ausblenden. Man stelle sich dies so vor: Die Streuung ergibt ein Graustufenbild. Indem man das Verhältnis von leichtem zu schwerem Wasser ändert, lässt sich die Hintergrundfarbe verändern, so dass immer verschiedene Teile des Bildes unsichtbar werden. Dies passiert genau dann, wenn die Mischung so stark streut wie der auszublendende Teil.
  5. Obwohl das Neutron elektrisch neutral ist, besitzt es ein magnetisches Moment. Dies tritt wiederum mit dem magnetischen Moment der Probe in Wechselwirkung. Somit kann man komplexe magnetische Körper untersuchen.
  6. Neutronen sind selber Kernbausteine. Aufgrund dieser Tatsache werden sie von der "starken Wechselwirkung" beeinflusst, einer Kraft, die zwischen Kernteilchen wirkt und normalerweise die Kerne zusammenhält. Andere Untersuchungsmethoden, wie z.B. Röntgenuntersuchungen, bleiben von dieser Kraft unbeeinflusst.