Techniklexikon

Neutronenspektroskopie

Festkörperphysik, Spektroskopie an Neutronen. Das Studium langsamer Neutronen, die inelastisch an Materie gestreut werden, gehört heute zu den effektivsten Methoden, um atomare Bewegungen in kondensierter Materie und niedriggelegene Elektronenzustände in magnetischen Materialien zu studieren.

Die besondere Bedeutung der thermischen Neutronen tritt in der Neutronenstreuung zu Tage. Sie liegt in ihrer Wellenlänge, die interatomaren Abständen entspricht, und in ihren Energieskalen, die denen der charakteristischen Quantenenergien entsprechen, die in Festkörpern bei normalen Temperaturen vorherrschen.

Neutronen streuen in Materie auf Grund von zwei Wechselwirkungen: Kern-Neutron-Wechselwirkung durch die starke Wechselwirkung, die zu elastischer Streuung mit Streuquerschnitten s und Streuamplituden b führt, die charakteristisch für jedes Nuklid sind. In den meisten Fällen ist .

Die Wechselwirkung zwischen den Neutronen und den meisten Kernen wird durch positive -Werte von 10^-12-10^-13 cm beschrieben. Elemente, die einander im Periodensystem der Elemente eng benachbart sind, können drastisch verschiedene Sichtbarkeiten für Neutronen besitzen.

Die zweite Wechselwirkung von Neutronen mit Materie rührt vom magnetischen Moment des Neutrons m_N her (m_N = -1,91 m_K, m_K: Kernmagneton), das mit dem lokalen Feld in der Probe wechselwirkt. Die zugehörigen magnetischen Streuamplituden b_mag sind aus der Theorie berechenbar. b_mag ist empfindlich gegen Stärke und Form der Verteilung der magnetischen Momente, die auf das streuende Atom wirken, und ebenso zu relativen Orientierungen des Neutrons zu den atomaren magnetischen Momenten. So kann man durch Neutronen die magnetische Beschaffenheit (Ordnung) einer Probe bestimmen.

Langsame Neutronen sind sensitiv gegen fast alle Kernanregungen, ob in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, sowie gegen viele magnetische (elektronische) Anregungen. Mit Reaktorneutronen sind Experimente empfindlich gegen Anregungen unter rund 100 meV, dagegen erlauben Spallationsquellen den Zugang zu Anregungen mit deutlich höheren Energien.

Neutronenexperimente unterliegen oft grossen Intensitätsbeschränkungen, um hinreichende Auflösung zu garantieren, wodurch es nur relativ wenige vielgenutzte Reaktoren gibt. Wegen der notwendigen Abschirmung der Strahlung werden die Apparaturen meist sehr massiv. Die niedrigen Flussdichten und die Transparenz, die viele Materialien gegenüber langsamen Neutronen haben, bedingen, dass grosse Proben verwendet werden müssen. Der Gebrauch von Einkristallen bringt im allgemeinen grosse Vorteile mit sich, ausser bei Messungen der Zustandsdichte und bei Anregungen, deren Energien unabhängig vom Wellenvektor sind.

Neutronenenergien lassen sich über ihre Geschwindigkeit (Flugzeitspektrometer) oder Wellenlänge (Braggsches Reflexionsgesetz) diskriminieren. Die Detektion der Neutronen findet über bestimmte Kernreaktionen in Gas- oder Szintillationszählern statt.