Neutron
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Einordnung: Elementarteilchen | Kernphysik
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Das Neutron ist ein langlebiges, elektrisch neutrales Elementarteilchen mit dem Formelzeichen n. Es ist, wie das Proton, ein Nukleon.
| Inhaltsverzeichnis |
Allgemeines
Neutronen wurden erstmals 1932 von dem Physiker und späteren Nobelpreisträger James Chadwick beim Beschuss von Beryllium mit Alphateilchen (α) beobachtet. Alphateilchen sind Atomkerne von Helium.
- <math>{4 \atop 2}\mathrm{He}+{9 \atop 4}\mathrm{Be}\quad\rightarrow\quad{12 \atop 6}\mathrm{C}+{1 \atop 0}\mathrm{n} \quad +5,76\mathrm{MeV}<math>
In der obigen Formel steht links oben des Elementsymbols seine Atomare Massenzahl A und darunter die Ordnungszahl Z, die gleichbedeutend mit der Zahl der Protonen ist. Folgende Beziehung gilt für die Zahl der sich im Kern des Atoms befindenden Neutronen:
- <math> N = A - Z <math>
Die Ruhemasse des Neutrons beträgt in SI-Einheiten beziehungsweise mit der Atomaren Masseneinheit u ausgedrückt:
- <math> m_\mathrm{n} = 1{,}674\,927\,16(13) \cdot 10^{-27} \,\mathrm{kg}
= 1{,}008\,664\,915\,78(55) \,\textrm{u}<math>
Das entspricht einer Ruheenergie in SI-Einheiten beziehungsweise in Elektronvolt ausgedrückt von:
- <math> W_{\mathrm{n}} = 1{,}505\,349\,46(12) \cdot 10^{-10} \,\mathrm{J}
= 939,565\,330(38) \,\mathrm{MeV} <math>
Somit ist sie um etwa 1,293 MeV größer als die eines Protons. Der Durchmesser des Neutrons beträgt ca. 1,6 <math> \cdot <math> 10-15 m.
Die Neutronen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei und bestimmen damit das Isotop des Elements. Das chemische Verhalten bleibt jedoch im Wesentlichen gleich, da dies durch die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmt wird, deren Elektronenanzahl wegen der elektrischen Neutralität des Neutrons unabhängig von der Neutronenzahl ist.
Der Atomkern von fast allen Atomen besteht aus Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist das am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, das nur aus einem einzelnen Proton besteht.
Freie Neutronen lassen sich (außer im Kernreaktor)durch Kernreaktionen erzeugen. Neutronen unterliegen der Schwachen Wechselwirkung. Der hierdurch verursachte Betazerfall sorgt für die Aufspaltung eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino.Das freie Neutron ist instabil und zerfällt mit einer mittleren Lebensdauer von etwa 888 Sekunden (knapp 15 Minuten):
- <math>\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e + 0,78\,\mathrm{MeV} <math>
Die Halbwertszeit des freien Neutrons ist jedoch nicht sehr präzise bekannt. Der Grund ist die schwierige Messung: Freie Neutronen lassen sich zwar mit Neutronenquellen, Kernreaktionen oder durch Kernspaltung gewinnen. Sie werden jedoch in kürzester Zeit von Materie eingefangen, bevor der Zerfall stattfindet. Für wissenschaftliche Berechnungen ist die Lebenszeit freier Neutronen aber eine elementare Konstante, die einen wesentliche Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos hatte. In einer frühen Phase des Universums machten nämlich freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus. So könnte man die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung)besser nachvollziehen, wenn die Zerfallskonstante des Neutrons genau bekannt wäre. Außerdem erwartet man ein besseres Verständnis der Schwachen Wechselwirkung, die für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich ist.
Eine Gruppe am Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin arbeitet daran, die Zerfallszeit des freien Neutrons präziser zu messen. Dabei werden Neutronen in einer dreidimensionalen magnetischen Falle eingeschlossen. Die Wechselwirkung des Neutrons mit den Magnetkräften des Käfigs erfolgt über den schwachen magnetischen Dipol des Neutrons. Dies bedingt eine besonders ausgefeilte Gestaltung des Feldes im Käfig. Die Neutronen, die aus einem Forschungsreaktor in die Falle gelangen, werden von superflüssigem Helium in der Kammer abgebremst und eingefangen. Das aus dem Zerfall stammende hochenergetische Elektron dient als Nachweis in der Kammer. Es ionisiert auf seiner Flugbahn mehrere Helium-Atome, die über Molekülprozesse (Excimere) ein messbares Lichtsignal aussenden. Neutronen hinterlassen in einer Blasenkammer keine Spur, d. h. sie wirken nicht ionisierend.
Freie Neutronen werden von vielen Atomkernen absorbiert. Die bei dieser Reaktion entstehenden neuen Atomkerne sind oft radioaktiv; einige wenige Atomkerne spalten sich spontan nach dem Einfangen eines Neutrons. Man unterscheidet zwischen schnellen Neutronen (E>1MeV) und thermischen Neutronen. Zum Abbremsen (Moderation) von Neutronen müssen Kerne geringer Massenzahl verwendet werden, da der Energieverlust über Stöße erfolgt. In vielen Kernreaktoren (Druck- und Siedewasserreaktoren) entstehen schnelle Neutronen und werden mittels eines geeigneten Moderators (Wasser, Graphit, Deuterium) auf für die Kernspaltung passende Energie abgebremst.
Neutronen unterliegen der Starken Wechselwirkung, nicht aber der Elektromagnetischen Wechselwirkung. Daher wirken sie stabilisierend auf Atomkerne mit vielen Protonen; andernfalls wäre die Abstoßung der Protonen aufgrund ihrer gleichen elektrischen Ladung zu stark. Die Elektromagnetische Wechselwirkung ist zwar wesentlich schwächer als die Starke Wechselwirkung (daher können Protonen überhaupt zusammenhalten), sie nimmt aber mit zunehmender Entfernung nicht so schnell ab.
Quantenphysik des Neutrons
Das Neutron hat den Spin 1/2 und ist damit ein Fermion. Außerdem gehört es zu den Baryonen. Neutronen bestehen ihrerseits aus zwei d-Quarks und einem u-Quark (Formel udd).
Tabelle
| Ladung |
neutral = |
| Ruhemasse |
1,008 664 915 78(55) u = |
| Ruheenergie | |
| magnetisches Moment | -0,966 236 40(23)â‹…10-26 J T-1 |
| Spin | 1/2 |
| mittlere Lebensdauer als freies Neutron | 887 s |
| mittlere Lebensdauer im Atomkern | >>10 Milliarden Jahre |
Das Neutron unterliegt folgenden Grundkräften der Physik:
- Starke Wechselwirkung
- Elektromagnetische Wechselwirkung (über das magnetische Moment)
- Schwache Wechselwirkung
- Gravitation
Web-Links
- Tabellenwerte von physics.nist.gov/constants
Siehe auch: Neutronenbombe
--InfoG 03:45, 25. Mär 2005 (CET)
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