Was ist Neutron?

Was ist Neutron?

Ein Neutron ist eines der subatomaren Teilchen , aus denen Materie besteht. Im Universum gibt es viele Neutronen, die mehr als die Hälfte aller sichtbaren Materie ausmachen. Es hat keine elektrische Ladung und eine Ruhemasse von 1.67493 × 10−27 kg – etwas größer als die des Protons, aber fast 1839 mal größer als die des Elektrons. Das Neutron hat einen mittleren quadratischen Radius von etwa 0,8 × 10 –15 m oder 0,8 fm und ist ein Spin-½-Fermion.

Die Neutronen befinden sich in den Kernen typischer Atome zusammen mit ihren positiv geladenen Gegenstücken, den Protonen. Neutronen und Protonen, die üblicherweise als Nukleonen bezeichnet werden , sind im Atomkern miteinander verbunden und machen dort 99,9 Prozent der Atommasse aus. Forschung in der Teilchenphysik Hochenergie im 20. Jahrhundert zeigte , dass weder das Neutron noch das Proton nicht ist der kleinste Baustein der Materie. Protonen und Neutronen haben auch ihre Struktur. Innerhalb der Protonen und Neutronen finden wir wahre Elementarteilchen, die Quarks genannt werden . Im Kern sind Protonen und Neutronen durch die starke Kraft miteinander verbundenEine fundamentale Wechselwirkung, die das Verhalten der Quarks bestimmt, aus denen die einzelnen Protonen und Neutronen bestehen.

Eine nukleare Stabilität wird durch den Wettbewerb zweier grundlegender Wechselwirkungen bestimmt. Protonen und Neutronen werden durch starke Kraft voneinander angezogen. Andererseits stoßen sich Protonen durch die elektrische Kraft aufgrund ihrer positiven Ladung gegenseitig ab. Daher wirken Neutronen im Kern ähnlich wie Kernkleber, Neutronen ziehen sich gegenseitig und Protonen an, was dazu beiträgt, die elektrische Abstoßung zwischen Protonen auszugleichen. Es gibt nur bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen, die stabile Kerne bilden. Zum Beispiel hat das am häufigsten vorkommende Nuklid des gemeinsamen chemischen Elements Blei (Pb) 82 Protonen und 126 Neutronen.

Aufgrund der Stärke der Kernkraft auf kurze Distanz ist die Kernbindungsenergie (die Energie, die erforderlich ist, um einen Atomkern in seine Bestandteile zu zerlegen) von Nukleonen um mehr als sieben Größenordnungen größer als die elektromagnetische Energie bindenden Elektronen in Atomen . Kernreaktionen (wie Kernspaltung oder Kernfusion ) haben daher eine Energiedichte, die mehr als das 10 000 000-fache der von chemischen Reaktionen beträgt.
Die Kenntnis des Verhaltens und der Eigenschaften von Neutronen ist für die Erzeugung von Kernkraft unerlässlich . Kurz danach wurde das Neutron 1932 entdecktEs wurde schnell erkannt, dass Neutronen eine nukleare Kettenreaktion bilden könnten . Bei der Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 wurde klar, dass bei einer Spaltreaktion, bei der freie Neutronen entstehen , jedes dieser Neutronen eine weitere Spaltreaktion in einer als Kettenreaktion bekannten Kaskade auslösen kann . Die Kenntnis der Querschnitte (der Schlüsselparameter für die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung zwischen einem Neutron und einem Kern) wurde für die Konstruktion von Reaktorkernen und der ersten Atomwaffe von entscheidender Bedeutung (Trinity, 1945).

Struktur des Neutrons

Neutronen und Protonen werden als Hadronen , subatomare Teilchen , die der starken Kraft ausgesetzt sind , und als Baryonen klassifiziert , da sie aus drei Quarks bestehen . Das Neutron ist ein zusammengesetztes Teilchen aus zwei Abwärtsquarks mit Ladung −⅓ e und einem Aufwärtsquark mit Ladung + ⅔ e. Da das Neutron keine elektrische Nettoladung hat , wird es nicht durch elektrische Kräfte beeinflusst, aber das Neutron hat eine leichte Verteilung der elektrischen Ladung in sich. Dies führt zu einem magnetischen Moment ungleich Null (Dipolmoment) des Neutrons. Daher interagiert das Neutron auch über elektromagnetische Wechselwirkungen, jedoch viel schwächer als das Proton.

Die Masse des Neutrons beträgt 939,565 MeV / c ² , während die Masse der drei Quarks nur etwa 12 MeV / c ² beträgt (nur etwa 1% der Massenenergie des Neutrons). Wie das Proton liegt der größte Teil der Masse (Energie) des Neutrons in Form der starken Kernkraft (Gluonen) vor. Die Quarks des Neutrons werden von Gluonen zusammengehalten, den Austauschpartikeln für die starke Kernkraft. Gluonen tragen die Farbladung der starken Kernkraft.

Siehe auch: Struktur des Neutrons

Eigenschaften des Neutrons

Die wichtigsten Eigenschaften von Neutronen sind nachstehend zusammengefasst:

• Der mittlere quadratische Radius eines Neutrons beträgt ~ 0,8 x ^10-15 m (0,8 fermi)
• Die Masse des Neutrons beträgt 939,565 MeV / c ²
• Neutronen sind ½ Spinpartikel – fermionische Statistik
• Neutronen sind neutrale Teilchen – keine elektrische Nettoladung.
• Neutronen haben ein magnetisches Moment ungleich Null .
• Freie Neutronen (außerhalb eines Kerns) sind instabil und zerfallen über den Beta-Zerfall. Der Zerfall des Neutrons beinhaltet die schwache Wechselwirkung und ist mit einer Quark-Transformation verbunden (ein Down-Quark wird in einen Up-Quark umgewandelt).
• Die mittlere Lebensdauer eines freien Neutrons beträgt 882 Sekunden (dh die Halbwertszeit beträgt 611 Sekunden).
• Überall auf der Erde gibt es einen natürlichen Neutronenhintergrund freier Neutronen, der durch in der Atmosphäre erzeugte Myonen verursacht wird, in denen hochenergetische kosmische Strahlen mit Partikeln der Erdatmosphäre kollidieren.
• Neutronen können keine Ionisation direkt verursachen . Neutronen ionisieren Materie nur indirekt.
• Neutronen können sich ohne Wechselwirkung über mehrere hundert Meter in der Luft bewegen. Neutronenstrahlung ist stark durchdringend .
• Neutronen lösen die Kernspaltung aus .
• Der Spaltprozess erzeugt freie Neutronen (2 oder 3).
• Thermische oder kalte Neutronen haben ähnliche Wellenlängen wie Atomabstände. Sie können in Neutronenbeugungsexperimenten verwendet werden, um die atomare und / oder magnetische Struktur eines Materials zu bestimmen.

Siehe auch: Eigenschaften des Neutrons

Detektion von Neutronen

Da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich starken Kernkräften ausgesetzt, nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen normalerweise in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ eines Neutronendetektors mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Neutronenkonverter

Zu diesem Zweck stehen zwei grundlegende Arten von Neutronenwechselwirkungen mit Materie zur Verfügung:

• Elastische Streuung . Das freie Neutron kann von einem Kern gestreut werden und einen Teil seiner kinetischen Energie auf den Kern übertragen. Wenn das Neutron genug Energie hat, um Kerne zu streuen, ionisiert der Rückstoßkern das den Konverter umgebende Material. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne leicht genug für die praktische Anwendung. Auf diese Weise erzeugte Ladung kann vom herkömmlichen Detektor gesammelt werden, um ein detektiertes Signal zu erzeugen. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen (schnelle Neutronen haben keinen hohen Absorptionsquerschnitt) und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator .
• Neutronenabsorption . Dies ist eine übliche Methode, mit der Neutronen des gesamten Energiespektrums nachgewiesen werden können . Diese Methode basiert auf verschiedenen Absorptionsreaktionen ( Strahlungseinfang , Kernspaltung , Umlagerungsreaktionen usw.). Das Neutron wird hier von Zielmaterial (Konverter) absorbiert, das Sekundärteilchen wie Protonen, Alpha-Teilchen , Beta-Teilchen , Photonen (Gammastrahlen) oder Spaltfragmente emittiert. Einige Reaktionen sind Schwellenreaktionen (die eine minimale Energie von Neutronen erfordern), aber die meisten Reaktionen finden bei epithermischen und thermischen Energien statt. Dies bedeutet, dass die Moderation schneller Neutronen erforderlich ist, was zu einer schlechten Energieinformation der Neutronen führt. Die häufigsten Kerne für das Neutronenkonvertermaterial sind:
  • ¹⁰ B (n, α). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 3820 Scheunen beträgt und das natürliche Bor eine Häufigkeit von ¹⁰ B 19,8% aufweist.
  • ³ He (n, p). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 5350 Scheunen beträgt und das natürliche Helium eine Häufigkeit von ³ He 0,014% aufweist.
  • ⁶ Li (n, α). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 925 Scheunen beträgt und das natürliche Lithium eine Häufigkeit von ⁶ Li 7,4% aufweist.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 20820 Scheunen beträgt und das natürliche Cadmium eine Häufigkeit von ¹¹³ Cd 12,2% aufweist.
  • ²³⁵ U (n, Spaltung). Wenn der Spaltquerschnitt für thermische Neutronen σ = 585 Scheunen beträgt und das natürliche Uran eine Häufigkeit von ²³⁵ U 0,711% aufweist. Uran als Konverter erzeugt Spaltfragmente, die stark geladene Teilchen sind. Dies hat einen erheblichen Vorteil. Die stark geladenen Teilchen (Spaltfragmente) erzeugen ein hohes Ausgangssignal, da die Fragmente eine große Energiemenge in einem detektorempfindlichen Volumen ablagern. Dies ermöglicht eine einfache Unterscheidung der Hintergrundstrahlung (ei Gammastrahlung). Dieses wichtige Merkmal kann beispielsweise bei einer Kernreaktorleistungsmessung verwendet werden, bei der das Neutronenfeld von einem signifikanten Gammahintergrund begleitet wird.

Siehe auch: Nachweis von Neutronen

Neutronenquellen

Eine Neutronenquelle ist jedes Gerät, das Neutronen emittiert . Neutronenquellen haben viele Anwendungen, sie können in Forschung, Technik, Medizin, Erdölexploration, Biologie, Chemie und Kernkraft eingesetzt werden . Eine Neutronenquelle ist durch eine Reihe von Faktoren gekennzeichnet:

• Bedeutung der Quelle
• Intensität. Die Rate der von der Quelle emittierten Neutronen.
• Energieverteilung der emittierten Neutronen.
• Winkelverteilung der emittierten Neutronen.
• Art der Emission. Dauerbetrieb oder gepulster Betrieb.

Klassifizierung nach Bedeutung der Quelle

• Große (signifikante) Neutronenquellen
  • Kernreaktoren . Es gibt Kerne, die spontan selbst spalten können, aber nur bestimmte Kerne wie Uran-235, Uran-233 und Plutonium-239 können eine Spaltkettenreaktion aufrechterhalten. Dies liegt daran, dass diese Kerne Neutronen freisetzen, wenn sie auseinander brechen, und diese Neutronen die Spaltung anderer Kerne induzieren können. Uran-235, das als 0,7% des natürlich vorkommenden Urans vorliegt, unterliegt einer Kernspaltungmit thermischen Neutronen mit der Erzeugung von durchschnittlich 2,4 schnellen Neutronen und der Freisetzung von ~ 180 MeV Energie pro Spaltung. Freie Neutronen, die von jeder Spaltung freigesetzt werden, spielen eine sehr wichtige Rolle als Auslöser der Reaktion, können aber auch für einen anderen Zweck verwendet werden. Zum Beispiel: Ein Neutron ist erforderlich, um eine weitere Spaltung auszulösen. Ein Teil der freien Neutronen (sagen wir 0,5 Neutronen / Spaltung) wird in anderem Material absorbiert, aber ein Überschuss an Neutronen (0,9 Neutronen / Spaltung) kann die Oberfläche des Reaktorkerns verlassen und kann als Neutronenquelle verwendet werden.

• • Fusionssysteme. Kernfusion  ist eine Kernreaktion, bei der zwei oder mehr Atomkerne (z. B. D + T) mit sehr hoher Energie kollidieren und miteinander verschmelzen. Ihr Nebenprodukt der DT-Fusion ist ein freies Neutron (siehe Bild), daher kann auch die Kernfusionsreaktion große Mengen an Neutronen produzieren.
  • Spallationsquellen. Eine Spallationsquelle ist eine Neutronenquelle mit hohem Fluss, bei der Protonen, die auf hohe Energien beschleunigt wurden, auf ein schweres Zielmaterial treffen und die Emission von Neutronen verursachen. Die Reaktion findet oberhalb einer bestimmten Energieschwelle für das einfallende Teilchen statt, die typischerweise 5 bis 15 MeV beträgt.

• Mittlere Neutronenquellen
  • Bremssstrahlung von Elektronenbeschleunigern / Photofission. Energetische Elektronen emittieren, wenn sie in einem schweren Ziel schnell verlangsamt werden, während des Verzögerungsprozesses intensive Gammastrahlung. Dies ist als Bremsstrahlung oder Bremsstrahlung bekannt. Die Wechselwirkung der Gammastrahlung mit dem Ziel erzeugt Neutronen über die (γ, n) -Reaktion oder die (γ, Spalt-) Reaktion, wenn ein spaltbares Ziel verwendet wird. e- → Pb → γ → Pb → (γ, n) und (γ, Spaltung). Die Bremsstrahlung γ-Energie übersteigt die Bindungsenergie des „letzten“ Neutrons im Ziel. Eine Quellenstärke von 10 ¹³ Neutronen / Sekunde, die in kurzen (dh <5 μs) Impulsen erzeugt wird, kann leicht realisiert werden.
  • Dichter Plasme-Fokus. Der dichte Plasmafokus (DPF) ist ein Gerät, das als effiziente Quelle für Neutronen aus Fusionsreaktionen bekannt ist . Der Mechanismus des dichten Plasmafokus (DPF) basiert auf der Kernfusion von kurzlebigem Plasma aus Deuterium und / oder Tritium. Dieses Gerät erzeugt durch elektromagnetische Kompression und Beschleunigung ein kurzlebiges Plasma, das als Quetschung bezeichnet wird . Dieses Plasma ist während der Prise heiß und dicht genug, um eine Kernfusion und die Emission von Neutronen zu verursachen.
  • Lichtionenbeschleuniger. Neutronen können auch durch Teilchenbeschleuniger unter Verwendung von Zielen aus Deuterium, Tritium, Lithium, Beryllium und anderen Materialien mit niedrigem Z-Gehalt erzeugt werden. In diesem Fall muss das Ziel mit beschleunigten Wasserstoff- (H), Deuterium- (D) oder Tritium- (T) Kernen bombardiert werden.

• Kleine Neutronenquellen
  • Neutronengeneratoren. Neutronen entstehen bei der Fusion von Deuterium und Tritium in der folgenden exothermen Reaktion. ² D + ³ T → ⁴ He + n + 17,6 MeV . Das Neutron wird mit einer kinetischen Energie von 14,1 MeV erzeugt. Dies kann im Labor in kleinem Maßstab mit einem bescheidenen 100-kV-Beschleuniger für Deuteriumatome erreicht werden, die ein Tritiumziel bombardieren. Kontinuierliche Neutronenquellen von ~ 10 ¹¹ Neutronen / Sekunde können relativ einfach erreicht werden.
  • Radioisotopenquelle – (α, n) Reaktionen. In bestimmten Lichtisotopen ist das „letzte“ Neutron im Kern schwach gebunden und wird freigesetzt, wenn der nach dem Beschuss mit α-Teilchen gebildete Verbindungskern zerfällt. Der Beschuss von Beryllium durch α-Teilchen führt zur Bildung von Neutronen durch folgende exotherme Reaktion:  ⁴ He + ⁹ Be → ¹² C + n + 5,7 MeV. Diese Reaktion ergibt eine schwache Neutronenquelle mit einem Energiespektrum, das dem einer Spaltquelle ähnelt und heutzutage in tragbaren Neutronenquellen verwendet wird.  Radium, Plutonium oder Americium können als α-Emitter verwendet werden.
  • Radioisotopenquelle – (γ, n) Reaktionen. (γ, n) -Reaktionen können ebenfalls für den gleichen Zweck verwendet werden. Bei diesem Quellentyp können aufgrund des größeren Bereichs des γ-Strahls die beiden physikalischen Komponenten der Quelle getrennt werden, so dass die Reaktion bei Bedarf durch Entfernen der radioaktiven Quelle aus dem Beryllium „abgeschaltet“ werden kann. (γ, n) Quellen produzieren im Gegensatz zu (α, n) Quellen monoenergetische Neutronen. Die (γ, n) -Quelle verwendet Antimon-124 als Gamma-Emitter in der folgenden endothermen Reaktion.

¹²⁴ Sb → ¹²⁴ Te + β− + γ

γ + ⁹ Be → ⁸ Be + n – 1,66 MeV

• • Radioisotopenquelle – spontane Spaltung . Bestimmte Isotope spalten sich spontan unter Emission von Neutronen. Die am häufigsten verwendete Quelle für spontane Spaltungen ist das radioaktive Isotop californium-252 . Cf-252 und alle anderen Neutronenquellen mit spontaner Spaltung werden durch Bestrahlung von Uran oder einem anderen transuranischen Element in einem Kernreaktor hergestellt, wobei Neutronen im Ausgangsmaterial und seinen nachfolgenden Reaktionsprodukten absorbiert werden und das Ausgangsmaterial in das SF-Isotop umgewandelt wird.

Siehe auch: Neutronenquellen

Siehe auch: Quellenneutronen