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Neutronenstrahlung


Physik


Basiswissen


Neutronenstrahlung besteht aus sogenannten freien Neutronen, die sehr unterschiedliche Bewegungsenergien (kinetische Energien) haben können. Neutronenstrahlung ist zwar selbst elektrisch neutral, wirkt aber dennoch ionisierend. Das ist hier näher vorgestelt.

Neutronenstrahl und Materie


Neutronen sind elektrisch neutral. Deshalb werden sie von der Ladung anderer Teilchen nicht abgelenkt. Aber auch von elektrischen oder magnetischen Feldern werden sie nicht beeinflusst. Neutronentrahlung kann Materie vergleichsweise leicht durchdringen. Schnelle Neutronen werden gut durch Stoffe wie Wasser, Paraffin, Graphit oder Kunststoff gebremst. Langsame Neutronen, die man auch thermische Neutronen nennt, werden besser von Stoffen wie Cadmium und Bor geschluckt. Bei der Absorption von Neutronen entsteht Gammastrahlung, die wiederum von starken Beton-, Stahl- oder Bleischichten vermindert wird.

Was ist ein Moderator?


Als Moderatoren bezeichnet man Stoffe, die Neutronen bremsen können. Dabei übertragen die Neutronen Bewegungsenergie auf die beteiligten Atome oder deren Bestandteile. Diese wiederum wirken dann ionisierend auf andere Atome. Stoffe, die Neutronen abbremsen können, bezeichnet man allgemein als Moderator. In der Kernphysik wird der Begriff meist beschränkt auf Stoffe, die Neutronen zwar abbremsen aber nicht schlucken. Siehe auch Moderator ↗

Wie erzeugt Neutronenstrahlung Radioaktivität?


Langsame freie Neutronen können sich an Atomkerne anlagern. Man spricht von einem sogenannten Neutroneneinfang. Das beteiligte Atom erhöht dadruch seine Massenzahl um eins, wird also schwerer und bildet ein neues Isotop. Das Atom bleibt dabei dasselbe chemische Element, denn die Kernladungszahl (Protonenanzahl) bleibt ja unverändert. Viele so entstandene Isotope sind jedoch instabil. Je nach ihrer Halbwertszeit zerfallen sie früher oder später in Bruchstücke. Dabei sende sie radioaktive Strahlung aus. Lies mehr dazu unter Neutroneneinfang ↗

Neutronenstrahlung zur Nutzung von Kernernergie


Bei einigen wenigen Kernen, wie etwa Uran 235, ist der angeregte Zustand derartig instabil, dass es zu einer weiteren Kernreaktion kommen kann. Bei Uran 235 passiert das durchschnittlich in etwa 84 % der Einfänge von sogenannten thermischen Neutronen. Beim Kernzerfall werden große Energiemengen freigesetzt sowie auch weitere freie Neutronen. Durch die freien Neutronen kann letztendlich eine Kettenreaktion in Gang kommen. Diese kann kontrolliert ablaufen, wie in einem Kernkraftwerk. Oder sie läuft unkontrolliert ab, wie in einer Atombombe ↗

Was ist das Rätsel freier Neutronen?


Ist Materie in der Nähe eines freien Neutrons, endet sein freier Zustand meist nach sehr kurzer Zeit durch einen Neutroneneinfang. Im Hochvakuum jedoch kann man beobachten, dass freie Neutronen recht schnell selbst zerfallen. Sie haben eine sogenannte Halbwertszeit (etwa 10 Minuten), beziehungsweise eine mittlere Lebensdauer. Doch diese Zeiten scheinen von der Messmethode abzuhängen, was theoretisch gegen das Gebot der Objektivität in der Physik verstößt. Siehe mehr dazu im Artikel zur Neutronenhalbwertszeit ↗

Quellen freier Neutronen


Freie Neutronen als Neutronenstrahlung entstehen infolge von kosmischer Strahlung in der Atmosphäre oder auch am Boden. Natürliche Radioaktivätät von zerfallenden Atomkernen setzt selten Neutronenstrahlung frei. Es gibt jedoch einige wenige radioaktive Materialien, die auf natürliche Weise größere Mengen an Neutronenstrahlung freisetzen. Ein Beispiel ist das Californium-252, das man auch als sogenannte Neutronenquelle nutzt. Auch bei Kernreaktionen in Kernkraftwerken oder in Atombomben entsteht Neutronenstrahlung. In Laboren lässt man auch Alphastrahlung auf ein Material wie zum Beispiel Beryllium treffen, wodurch Neutronenstrahlung entsteht. Als Alphastrahler verwendet man heute zum Beispiel das in Kernreaktoren entstehende Polonium-210. In sogenannen Neutronenbomben wird Neutronenstrahlung erzeugt, die Lebewesen tötet, aber Gebäude oft recht unbeschädigt lässt.

Neutronenstrahlung in der Materialforschung


Neutronenstrahlen werden an Materie gebeugt. Über die Art der Beugung kann man rückwärts denkend auf die Art der Struktur der Materie schließen. Das Verfahren ähnelt dem der Röntgendiffraktometrie ↗

Neutronenstrahlung in lebende Gewebe


Neutronenstrahlen werden in lebendem Gewebe vor allem elastisch an Wasserstoff gestreut. Es entstehen sogenannte Rückstoßprotonen, die stark ionisierend auf das umliegende Gewebe wirken und es damit schädigen. Eine indirekte Schädigung durch thermische Neutronenstrahlung kommt durch die Gammastrahlung zustande, die beim Einfang des Neutrons an Wasserstoff entsteht: aus einem Wasserstoffatom ohne Neutron (Protium) entsteht ein Wasserstoffatom mit einem Neutron im Kern (Deuterium). Pro solche Einfang werden 2,2 MeV an Energie frei. Siehe auch Megaelektronenvolt ↗

Neutronenstrahlung im Baustoffen


Trifft Neutronenstrahlung auf Materie erzeugt es dort oft Schäden an Kristallstrukturen. Das kann etwa Stahl spröde werden lassen. Das ist eines der größeren Probleme bei Fusionsreaktoren. Dort entstehen große Mengen an Neutronenstrahlung, die die umliegende Reaktorhülle schädigt. Siehe auch Kernfusion ↗