Neutronen als Sonde

Neutronen weisen eine einzigartige Kombination von Eigenschaften auf, welche sie zu einer idealen Sonde machen, um fast alle Arten von Materie zu untersuchen. Neutronen können sich entweder als Welle oder Teilchen verhalten. Diese Eigenschaft zusammen mit einzigartigen Merkmalen, wie sie unten vorgestellt werden, machen Neutronen zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Untersuchungen in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften.

Elektrisch neutral: Neutronen tragen keine elektrische Ladung und interagieren daher nicht mit der Elektronenhülle der Atome, sondern mit den Atomkernen. Daher können Neutronen tief in die Materie eindringen.

Sensitiv für verschiedene Isotope: Neutronen werden an den Atomkernen gestreut. Die Stärke der Wechselwirkung ist dabei Isotopenspezifischen. Besonders leichtere Elemente wie z.B. Wasserstoff können mit Neutronen gut untersucht werden. Zudem wird die Möglichkeit, ein Isotop durch ein anderes Isotop zu ersetzen, häufig verwendet, um bestimmte Gruppen von Atomen in komplexen Materialien besonders hervorzuheben. Zum Beispiel ermöglicht der selektive Austausch von Wasserstoff mit Deuterium (schwerer Wasserstoff) die Untersuchung von komplexen biologischen Molekülen und anderen Wasserstoff-haltigen Materialien, da die Isotopensubstitution den Kontrast der Messung erhöht.

Sensitiv für atomare Strukturen: Da die Wellenlänge thermischer Neutronen den atomaren Dimensionen bzw. den Atomabständen in Molekülen und Festkörpern entspricht, sind Neutronen hervorragend geeignet, um die Anordnung der Atome in kondensierter Materie zu untersuchen.

Sensitiv für Bewegungen: Thermische und kalte Neutronen sind ideal zur Untersuchung von Anregungen wie Phononen (Gitterschwingungen) oder Schwingungen und Rotationen von Atomen oder Atomgruppen in Molekülen oder Festkörpern. Dies rührt daher, dass die jeweils benötigen Anregungsenergie (bzw. die bei einer Abregung der Schwingung auf das Neutron übertragene Energie) in der gleichen Größenordnung liegen wie die Energie der verwendeten Neutronen. Die bei dem Streuvorgang stattfindende Änderung der Neutronenenergie lässt sich daher sehr genau bestimmen.

Sensitiv für Magnetismus: Neutronen besitzen ein magnetisches Moment, das ungefähr 2,000-mal kleiner ist als das magnetische Moment, welches mit dem Spin eines Elektrons verbunden ist. Es ist jedoch ausreichend groß, um mit dem von ungepaarten Elektronen hervorgerufenen Magnetfeld in einer Probe zu interagieren. Daher sind Neutronen eine hervorragende Sonde, um magnetische Eigenschaften zu untersuchen.