Neutronen aus Kernreaktionen, welche in Teilchenbeschleunigern ausgelöst wurden Beispiel: < 0,5 ev 0,5 ev bis 10 kev 10 kev bis 20 MeV > 20 MeV

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1 KERN-/TEILCHENPHYSIK Neutronen Neutronenquellen Freie Neutronen werden durch Kernreaktionen erzeugt. Dabei gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die sich nach der Neutronenausbeute, der Neutronenenergie und deren Verteilung unterschieden. Hier sei nur auf einige wichtige Möglichkeiten der Erzeugung hingewiesen. Neutronen aus einer (α,n)-reaktion Die Alpha-Teilchen stammen meist von einem Polonium- oder Radium-Präparat. Den schematischen Aufbau einer solchen Quelle sehen Sie in der nebenstehenden Abbildung. Neutronen aus einer (γ,n)-reaktion Dieser Reaktionstyp ist dann möglich, wenn die Gammaenergie einen bestimmten Schwellenwert überschreitet (vgl. hierzu auch die exakte Bestimmung der Neutronenmasse). Neutronen aus der Kernspaltung (Kernreaktor) Beispiel für eine Spaltreaktion: Neutronen aus Kernreaktionen, welche in Teilchenbeschleunigern ausgelöst wurden Die Energien der Neutronen aus Kernreaktionen liegen im MeV-Bereich. Für die Klassifizierung der Neutronenenergien hat sich folgende Einteilung eingebürgert: langsame (thermische) Neutronen mittelschnelle Neutronen schnelle Neutronen relativistische Neutronen < 0,5 ev 0,5 ev bis 0 kev 0 kev bis 20 MeV > 20 MeV Neutronennachweis Da die Neutronen selbst keinerlei Ionisation bewirken, muss man zu deren Nachweis auf indirekte Methoden zurückgreifen. Nachweis langsamer Neutronen Bei langsamen Neutronen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie eine Kernreaktion auslösen (lange Wechselwirkungszeit mit dem Reaktionspartner) relativ hoch. Füllt man z.b. ein Zählrohr mit dem Gas BF3 (BF3-Zähler), so reagieren die Neutronen mit den Bor- Kernen und schaffen als Reaktionsprodukte geladene Teilchen, welche im Zählrohr registriert werden. Nachweis schneller Neutronen Schon Chadwick konnte die schnellen Neutronen, welche bei Kernreaktionen entstanden durch Rückstoßkerne, die deutliche Spuren in der Nebelkammer hinterließen nachweisen. Sehr gut eignen sich auch sogenannte Plastik-Szintillatoren, welche viele Wasserstoffkerne enthalten, an welche die Neutronen ihre Energie abgeben können. Die im Szintillator durch die Rückstoßprotonen entstehenden Lichtblitze lösen an der Photokathode eines Sekundärelektronenverfielfachers Elektronen aus.

2 Neutronenmoderation (Abbremsung) Für viele Prozesse (z.b. für das Auslösen einer Kettenreaktion im Kernreaktor) werden langsame Neutronen benötigt. Da die Energie der Neutronen durch elektrische und magnetische Felder aber nicht beeinflusst werden kann, ist man auf die Wirkung der Kernkräfte anderer Nukleonen bei der Moderation angewiesen. Der Stoß schneller Neutronen mit Kernen kann mit dem Modell des elastischen Stoßes zweier Kugeln verglichen und gut beschrieben werden. Wie die Rechnungen zeigen, verliert das Neutron am meisten Energie, wenn es mit einem leichten (am besten gleichschweren) Partner stößt. Daher sind wasserstoffhaltige Substanzen (Wasser, Paraffin, Plastik-Szintillator) für die Abbremsung schneller Neutronen wesentlich geeigneter als Substanzen mit schweren Kernen (wie z.b. Blei oder Uran). Dies macht auch die folgende Tabelle deutlich: Moderator Wasserstoff Schwerer Wasserstoff Beryllium Kohlenstoff Uran Mittlere Zahl der Zusammenstöße zur Energieverminderung von,75mev auf 0,025eV Zerfall des Neutrons Neutronen sind radioaktiv und machen einen ß--Zerfall mit einer Halbwertszeit von 2,8 Minuten. Die Zerfallsgleichung lautet: Auch den ß--Zerfall eines Kerns stellt man sich als die Umwandlung eines Kernneutron in ein Kernproton vor. Dabei wird ein Elektron und ein Antineutrino emittiert (vgl. nebenstehende Animation). Wie man sich heute den β-- Zerfall im Quarkmodell vorstellt, wird beim Abschnitt über die schwache Wechselwirkung näher erklärt. Neutronendaten Elektrische Ladung qn Ruhemasse mn,0, kg,008665u Ruheenergie E0,n 939,57MeV Halbwertszeit T/2 2,8 Minuten > Wichtige Atom- und Kernmassen Atomare Masseneinheit: u =, kg Energieäquivalent zur Masseneinheit: u c 2 = 93,49 MeV 2

3 Z Nuklid Kernmasse in u Atommasse in u 0 Neutron, Proton, Z Nuklid Kernmasse in u Atommasse in u 27 Kobalt 54, , , , Wasserstoff, , , , , , , , , , ,0550 3, , , Helium 3, , , , , , Krypton 88, , Lithium 6,0348 7, ,0526 7, Rubidium 93, , , ,02858 Strontium 93, ,9536 Beryllium 43 Technetium 98, , , , Bor, , Iod 22, , , , Kohlenstoff, , , , , , Cäsium 32, , , , , , , , , ,90734 Stickstoff 4, , , , Sauerstoff 5, , , , Barium 43, , , , , ,97305 Blei 204, , , , , , , ,9759 Fluor 207, , ,9809 3

4 0 Neon 9, , , , , , Natrium 2, , , , Magnesium 23, , , , , , Aluminium 26, , Silizium 27, , , , , , Phosphor 30, , Schwefel 3, , , , , , , , Argon 39, , Calcium 39, , Eisen 54, , , , , , , , , , , , ,999 23, Polonium 209, ,940 2, , , , , , , , , , , , Radon 28, , , , , , Uran 232, , , , , , , , , , , , , , , Plutonium , , , , , , , , , , ,

5 Americium 242, ,05954 > Weiterlesen Weiterlesen 5