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.
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 8 25 86 4 272 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,0,67493 0-27kg,008665u Ruheenergie E0,n 939,57MeV Halbwertszeit T/2 2,8 Minuten > Wichtige Atom- und Kernmassen Atomare Masseneinheit: u =,660538 0-27 kg Energieäquivalent zur Masseneinheit: u c 2 = 93,49 MeV 2
Z Nuklid Kernmasse in u Atommasse in u 0 Neutron,008665 --- Proton,0072766 --- Z Nuklid Kernmasse in u Atommasse in u 27 Kobalt 54,927238 54,94203 55,925072 55,939847 Wasserstoff,0072766,00782522 56,9252 57,920986 56,936296 57,93576 2,035536 2,04022 58,9845 58,93390 3,0550 3,060494 59,99039 59,93384 2 Helium 3,049328 3,060299 60,97665 60,932440 4,005065 4,0026036 36 Krypton 88,89788 88,97630 3 Lithium 6,0348 7,04360 6,0526 7,06005 37 Rubidium 93,90607 93,926405 38 4 9,009999 9,02858 Strontium 93,89455 93,9536 Beryllium 43 Technetium 98,88288 98,9064 5 0,0096 7 0,02 9389 53 Bor,0065629,009305 Iod 22,87652 22,90560 30,87784 30,9062 6 Kohlenstoff,9967096 3,0000639 3,9966590 2,0000000 3,0033543 4,0032420 55 Cäsium 32,87538 33,87685 32,90536 33,90683 34,87579 34,90577 7 3,9992359 4,0030744 35,87736 35,90734 Stickstoff 4,9962696 5,00008 36,87679 36,906 77 56 8 Sauerstoff 5,9905284 6,9947469 5,994949 6,999334 Barium 43,89223 43,92295 7,9947733 7,999598 82 203,92856 203,97305 Blei 204,92999 204,97448 205,92998 205,97447 9 8,9934702 8,9984046 206,9342 206,9759 Fluor 207,9328 207.97667 208,93660 208,9809 3
0 Neon 9,9869582 20,988367 2,9859023 9,9924404 20,993849 2,993845 Natrium 2,988407 22,983743 2,994437 22,989733 2 Magnesium 23,978468 24,979263 25,97604 23,985045 24,985 840 25,98259 3 Aluminium 26,97440 26,98535 4 Silizium 27,969 255 28,96889 29,966089 27,976 927 28,97649 29,97376 5 Phosphor 30,965544 30,973763 6 Schwefel 3,963308 32,962694 33,959098 35,958325 3,972074 32,97460 33,967864 35,96709 8 Argon 39,952508 39,962383 20 Calcium 39,9569 39,96259 26 Eisen 54,924035 55,920679 56,9230 54,938298 55,934942 56,935394 209,93970 20,94426 2,94742 23,95528 209,9849 20,98875 2,999 23,99977 84 Polonium 209,93732 20,940 2,9433 23,94965 24,95387 25,95636 27,96337 209,98288 20,98666 2,98887 23,9952 24,99943 26,0092 28,00893 86 Radon 28,92685 29,96477 22,97090 29,00948 220,040 222,0753 92 Uran 232,98970 233,9908 234,9940 235,99582 236,99879 238,000 95 239,00448 240,00677 233,03952 234.040 90 235,04392 236,04564 237,0486 238,05077 239,05430 240,05659 94 Plutonium 237.99862 239,0026 240,00299 24,00585 242,00784 238,0495 239,0525 240,05388 24,05674 242,05873 95 24,0047 24,05682 4
Americium 242,00743 242,05954 > Weiterlesen Weiterlesen 5