Lexikon: Neutron

 

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Neutron
Klassifikation
Elementarteilchen
Fermion
Hadron
Baryon
Nukleon
Eigenschaften
Quark Zusammensetzung 2 Down, 1 Up
Elektrische Ladung|Ladung C
Ruhemasse

1,008 664 915 78(55) Atomare Masseneinheit|u =
1,674 927 16(13)⋅10-27 Kilogramm|kg =
1838,683 6550(40) Ã— Elektron|me

Ruheenergie

939,565 330(38) Elektronvolt|MeV =
1,505 349 46(12)⋅10-10 Joule (Einheit)|J

magnetisches Moment J Tesla (Einheit)|T-1
Spin 1/2
mittlere Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer frei   887 s

gebunden >>106 Jahre


Das Neutron ist ein langlebiges, elektrisch neutrales Elementarteilchen mit dem Formelzeichen n. Es ist, wie das Proton, ein Nukleon.

Allgemeines

Neutronen wurden erstmals 1932 von dem Physiker und späteren Nobelpreis für Physik|Nobelpreisträger James Chadwick beim Beschuss von Beryllium mit Alphateilchen (α) beobachtet. Alphateilchen sind Atomkerne von Helium.

{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}

In der obigen Formel steht links oben des Elementsymbols seine Massenzahl|Atomare Massenzahl A und darunter die  Z, die gleichbedeutend mit der Zahl der Protonen ist. Folgende Beziehung gilt für die Zahl der sich im Kern des Atoms befindenden Neutronen:

N = A - Z

Die Ruhemasse des Neutrons ist um etwa 1,293 MeV größer als die eines Protons. Der des Neutrons beträgt etwa 1,6 \cdot 10-15 m.

Die Neutronen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei und bestimmen damit das des Chemisches Element|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 fast aller Chemisches Element|Elemente besteht aus Proton|Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist das am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht.

Neutronen unterliegen der Schwache Wechselwirkung|Schwachen Wechselwirkung. Der hierdurch verursachte Betazerfall sorgt für die Aufspaltung eines Neutrons in ein Proton, ein und ein Antineutrino. Das freie Neutron ist instabil und zerfällt mit einer Lebensdauer (Physik) | Lebensdauer von etwa 886,7\pm1,9 Sekunden (knapp 15 Minuten):

\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e + 0,78\,\mathrm{MeV}

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 Kernspaltung oder mittels des Kernphotoeffekts 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 Ionisation|ionisierend.

Freie Neutronen werden von vielen Atomkernen absorbiert. Die bei dieser Reaktion entstehenden neuen Atomkerne sind oft radioaktiv; einige wenige Kernspaltung|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 Starke Wechselwirkung|Starken Wechselwirkung, nicht aber der elektrostatischen Abstoßung. 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 Baryon|Baryonen. Neutronen bestehen ihrerseits aus zwei d-Quark (Physik)|Quarks und einem u-Quark (Physik)|Quark (Formel udd).

Bemerkenswert ist, daß das Neutron – obwohl es ein elektrisch neutrales Teilchen ist – ein magnetisches Moment hat. Die Herleitung dieses magnetischen Moments aus fundamentalen Gesetzen ist ein sehr schwieriges Problem der theoretischen Physik.

Web-Links

  • http://alephwww.physik.uni-siegen.de/~brandt/abend/sld033.html
  • http://neutra.web.psi.ch/What/d/physic.html
  • Tabellenwerte vom CODATA/NIST: http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html

Siehe auch: Neutronenbombe

Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Kernphysik

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