Neutron

Neutron ⓘ

Der Quarkgehalt des Neutrons. Die Farbzuordnung der einzelnen Quarks ist willkürlich, aber alle drei Farben müssen vorhanden sein. Die Kräfte zwischen den Quarks werden durch Gluonen vermittelt.
Klassifizierung	Baryon
Zusammensetzung	1 up-Quark, 2 down-Quarks
Statistik	Fermionisch
Familie	Hadron
Wechselwirkungen	Schwerkraft, schwache, starke, elektromagnetische
Symbol	n , n0 , N0
Antiteilchen	Antineutron
Theoretisch	Ernest Rutherford (1920)
Entdeckt	James Chadwick (1932)
Masse	1,67492749804(95)×10-27 kg 939,56542052(54) MeV/c2 1,00866491588(49) Da
Mittlere Lebensdauer	879,4(6) s (frei)
Elektrische Ladung	0 e (-2±8)×10-22 e (experimentelle Grenzen)
Elektrisches Dipolmoment	< 2,9×10-26 e⋅cm (experimentelle Obergrenze)
Elektrische Polarisierbarkeit	1,16(15)×10-3 fm3
Magnetisches Moment	-0,96623650(23)×10-26 J-T-1 -1,04187563(25)×10-3 μB -1.91304273(45) μN
Magnetische Polarisierbarkeit	3,7(20)×10-4 fm3
Spin	1/2
Isospin	−1/2
Parität	+1
kondensiert	I(JP) = 1/2(1/2+)

Das Neutron ist ein subatomares Teilchen, Symbol
n
oder
n⁰
das eine neutrale (nicht positive oder negative) Ladung und eine etwas größere Masse als ein Proton hat. Protonen und Neutronen bilden die Kerne der Atome. Da sich Protonen und Neutronen innerhalb des Kerns ähnlich verhalten und beide eine Masse von etwa einer atomaren Masseneinheit haben, werden sie beide als Nukleonen bezeichnet. Ihre Eigenschaften und Wechselwirkungen werden von der Kernphysik beschrieben. ⓘ

Die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden hauptsächlich durch die Konfiguration der Elektronen bestimmt, die den schweren Atomkern umkreisen. Die Elektronenkonfiguration wird durch die Ladung des Kerns bestimmt, die wiederum durch die Anzahl der Protonen oder die Ordnungszahl bestimmt wird. Die Anzahl der Neutronen ist die Neutronenzahl. Neutronen haben keinen Einfluss auf die Elektronenkonfiguration, aber die Summe aus Atom- und Neutronenzahl ergibt die Masse des Kerns. ⓘ

Atome eines chemischen Elements, die sich nur in der Neutronenzahl unterscheiden, werden als Isotope bezeichnet. Zum Beispiel hat Kohlenstoff mit der Ordnungszahl 6 ein häufig vorkommendes Isotop Kohlenstoff-12 mit 6 Neutronen und ein seltenes Isotop Kohlenstoff-13 mit 7 Neutronen. Einige Elemente kommen in der Natur mit nur einem stabilen Isotop vor, wie z. B. Fluor; andere Elemente kommen mit vielen stabilen Isotopen vor, wie z. B. Zinn mit zehn stabilen Isotopen, und einige Elemente wie Technetium haben kein stabiles Isotop. ⓘ

Die Eigenschaften eines Atomkerns hängen sowohl von der Anzahl der Atome als auch der Neutronen ab. Mit ihrer positiven Ladung werden die Protonen im Kern durch die elektromagnetische Kraft mit großer Reichweite abgestoßen, aber die viel stärkere Kernkraft mit kurzer Reichweite hält die Nukleonen eng zusammen. Neutronen sind für die Stabilität der Kerne erforderlich, mit Ausnahme des Wasserstoffkerns mit nur einem Proton. Neutronen werden bei der Kernspaltung und -fusion in großem Umfang erzeugt. Sie tragen in erster Linie zur Nukleosynthese chemischer Elemente in Sternen durch Kernspaltung, Kernfusion und Neutroneneinfangprozesse bei. ⓘ

Das Neutron ist für die Erzeugung von Kernenergie unerlässlich. In dem Jahrzehnt nach der Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick im Jahr 1932 wurden Neutronen zur Erzeugung vieler verschiedener Arten von Kernumwandlungen eingesetzt. Mit der Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 wurde schnell klar, dass, wenn bei einer Spaltung Neutronen erzeugt werden, jedes dieser Neutronen weitere Spaltungen auslösen kann, und zwar in einer Kaskade, die als nukleare Kettenreaktion bekannt ist. Diese Ereignisse und Erkenntnisse führten zum ersten selbstversorgenden Kernreaktor (Chicago Pile-1, 1942) und zur ersten Kernwaffe (Trinity, 1945). ⓘ

Spezielle Neutronenquellen wie Neutronengeneratoren, Forschungsreaktoren und Spallationsquellen erzeugen freie Neutronen, die zur Bestrahlung und für Experimente mit Neutronenstreuung verwendet werden. Ein freies Neutron zerfällt spontan in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino und hat eine mittlere Lebensdauer von etwa 15 Minuten. Freie Neutronen ionisieren zwar nicht direkt Atome, verursachen aber indirekt ionisierende Strahlung, so dass sie je nach Dosis eine biologische Gefahr darstellen können. Auf der Erde gibt es einen geringen natürlichen "Neutronenhintergrund" an freien Neutronen, der durch kosmische Strahlenschauer und durch die natürliche Radioaktivität spontan spaltbarer Elemente in der Erdkruste verursacht wird. ⓘ

Das Neutron [ˈnɔɪ̯trɔn] (Plural Neutronen [nɔɪ̯ˈtroːnən]) ist ein elektrisch neutrales Baryon mit dem Formelzeichen $\mathrm {n}$. Es ist neben dem Proton Bestandteil fast aller Atomkerne und somit der uns vertrauten Materie. Neutron und Proton, gemeinsam Nukleonen genannt, gehören als Baryonen zu den Fermionen und den Hadronen. ⓘ

Beschreibung

Ein Atomkern besteht aus einer Anzahl von Protonen, Z (die Ordnungszahl), und einer Anzahl von Neutronen, N (die Neutronenzahl), die durch die Kernkraft miteinander verbunden sind. Die Ordnungszahl bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms, die Neutronenzahl bestimmt das Isotop oder Nuklid. Die Begriffe Isotop und Nuklid werden oft synonym verwendet, beziehen sich aber auf chemische bzw. nukleare Eigenschaften. Isotope sind Nuklide mit der gleichen Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Nuklide mit gleicher Neutronenzahl, aber unterschiedlicher Ordnungszahl, werden als Isotone bezeichnet. Die Atommassenzahl A ist gleich der Summe aus Atom- und Neutronenzahl. Nuklide mit der gleichen Atommassenzahl, aber unterschiedlichen Atom- und Neutronenzahlen, werden Isobare genannt. ⓘ

Der Kern des häufigsten Isotops des Wasserstoffatoms (mit dem chemischen Symbol ¹H) ist ein einsames Proton. Die Kerne der schweren Wasserstoffisotope Deuterium (D oder ²H) und Tritium (T oder ³H) enthalten ein Proton, das an ein bzw. zwei Neutronen gebunden ist. Alle anderen Arten von Atomkernen bestehen aus zwei oder mehr Protonen und einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. Das häufigste Nuklid des gemeinsamen chemischen Elements Blei, ²⁰⁸Pb, hat beispielsweise 82 Protonen und 126 Neutronen. Die Tabelle der Nuklide enthält alle bekannten Nuklide. Obwohl es kein chemisches Element ist, ist das Neutron in dieser Tabelle enthalten. ⓘ

Das freie Neutron hat eine Masse von 939565413,3 eV/c², also 1,674927471×10-27 kg oder 1,00866491588 Da. Das Neutron hat einen mittleren quadratischen Radius von etwa 0,8×10-15 m oder 0,8 fm, und es ist ein Spin-½-Fermion. Das Neutron hat keine messbare elektrische Ladung. Mit seiner positiven elektrischen Ladung wird das Proton direkt von elektrischen Feldern beeinflusst, während das Neutron von elektrischen Feldern unbeeinflusst ist. Aber das Neutron hat ein magnetisches Moment, so dass es von Magnetfeldern beeinflusst wird. Das magnetische Moment des Neutrons hat einen negativen Wert, da seine Ausrichtung dem Spin des Neutrons entgegengesetzt ist. ⓘ

Ein freies Neutron ist instabil und zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino mit einer mittleren Lebensdauer von knapp 15 Minuten (879,6±0,8 s). Dieser radioaktive Zerfall, der so genannte Betazerfall, ist möglich, weil die Masse des Neutrons etwas größer ist als die des Protons. Das freie Proton ist stabil. In einem Kern gebundene Neutronen oder Protonen können jedoch je nach Nuklid stabil oder instabil sein. Der Betazerfall, bei dem Neutronen zu Protonen oder umgekehrt zerfallen, wird durch die schwache Kraft bestimmt und erfordert die Emission oder Absorption von Elektronen und Neutrinos oder deren Antiteilchen. ⓘ

Die Kernspaltung wird durch die Absorption eines Neutrons durch Uran-235 verursacht. Das schwere Nuklid zerfällt in leichtere Bestandteile und zusätzliche Neutronen. ⓘ

Protonen und Neutronen verhalten sich unter dem Einfluss der Kernkraft innerhalb des Kerns nahezu identisch. Das Konzept des Isospins, bei dem Proton und Neutron als zwei Quantenzustände desselben Teilchens betrachtet werden, wird zur Modellierung der Wechselwirkungen von Nukleonen durch die Kernkraft oder schwache Kräfte verwendet. Aufgrund der Stärke der Kernkraft bei kurzen Abständen ist die Bindungsenergie von Nukleonen mehr als sieben Größenordnungen größer als die elektromagnetische Energie, die Elektronen in Atomen bindet. Kernreaktionen (wie z. B. die Kernspaltung) haben daher eine Energiedichte, die mehr als das Zehnmillionenfache derjenigen von chemischen Reaktionen beträgt. Aufgrund der Masse-Energie-Äquivalenz verringern die nuklearen Bindungsenergien die Masse der Kerne. Die Fähigkeit der Kernkraft, Energie zu speichern, die durch die elektromagnetische Abstoßung der Kernbestandteile entsteht, ist schließlich die Grundlage für den Großteil der Energie, die Kernreaktoren oder Bomben möglich macht. Bei der Kernspaltung bewirkt die Absorption eines Neutrons durch ein schweres Nuklid (z. B. Uran-235), dass das Nuklid instabil wird und in leichte Nuklide und zusätzliche Neutronen zerfällt. Die positiv geladenen leichten Nuklide stoßen sich dann ab, wobei elektromagnetische potenzielle Energie freigesetzt wird. ⓘ

Das Neutron wird als Hadron eingestuft, weil es ein zusammengesetztes Teilchen aus Quarks ist. Das Neutron wird auch als Baryon eingestuft, da es aus drei Valenzquarks besteht. Die endliche Größe des Neutrons und sein magnetisches Moment weisen darauf hin, dass das Neutron eher ein zusammengesetztes Teilchen als ein Elementarteilchen ist. Ein Neutron enthält zwei Down-Quarks mit der Ladung -1/3e und ein Up-Quark mit der Ladung +2/3e. ⓘ

Wie Protonen werden auch die Quarks des Neutrons durch die starke Kraft zusammengehalten, die durch Gluonen vermittelt wird. Die Kernkraft ist das Ergebnis von Sekundäreffekten der fundamentaleren starken Kraft. ⓘ

Entdeckung und Erforschung

Ernest Rutherford sagte im Jahr 1920 einen neutralen Kernbaustein voraus, bei dem es sich möglicherweise um eine Proton-Elektron-Kombination handele, er sprach von einem „kollabierten Wasserstoffatom“. William Draper Harkins bezeichnete dieses Teilchen 1921 als Neutron. ⓘ

Die ersten Schritte zur Entdeckung des Neutrons wurden von Walther Bothe und seinem Studenten Herbert Becker getan. Sie beschrieben im Jahr 1930 einen ungewöhnlichen Typ von Strahlung, der entstand, wenn sie Beryllium mit Alphastrahlung aus dem radioaktiven Zerfall von Polonium beschossen. Ziel war es, Beobachtungen Ernest Rutherfords zu bestätigen, wonach bei diesem Vorgang eine sehr energiereiche Strahlung emittiert wurde. Dementsprechend hielten sie die durchdringende Strahlung, die sie bei diesen Versuchen mit Hilfe von elektrischen Zählmethoden feststellen konnten, anfänglich fälschlicherweise für Gammastrahlung. Die gleichen Versuche machten sie auch mit Lithium und Bor, und kamen schlussendlich zum Ergebnis, dass die beobachteten „Gammastrahlen“ mehr Energie besaßen als die Alphateilchen, mit denen sie die Atome beschossen hatten. Bei der Bestrahlung von Beryllium mit Alphateilchen entstand nicht – wie zuvor erwartet – Bor, sondern Kohlenstoff. In heutiger Schreibweise lautet die beobachtete Kernreaktion:

${}_{4}^{9}\mathrm {Be} +{}_{2}^{4}\alpha \to {}_{\ 6}^{12}\mathrm {C} +{}_{0}^{1}\mathrm {n}$ ⓘ

oder in Kurzform ⓘ

${}^{9}\mathrm {Be} (\alpha ,{\text{n}}){}^{12}\mathrm {C}$. ⓘ

Die beobachtete, sehr energiereiche Strahlung hatte ein großes Durchdringungsvermögen durch Materie, zeigte jedoch sonst ein für Gammastrahlung ungewöhnliches Verhalten. Sie vermochte zum Beispiel leichte Atome in schnelle Bewegung zu versetzen. Eine genauere Analyse zeigte, dass die Energie dieser „Gammastrahlung“ so groß hätte sein müssen, dass sie alles bis dahin Bekannte weit übertroffen hätte. So kamen mehr und mehr Zweifel auf, ob es sich wirklich um Gammastrahlen handelte. Entsprechend dem durchgeführten Versuch nannte man die Strahlung inzwischen „Beryllium-Strahlung“. ⓘ

1931 stellten Irène Joliot-Curie und ihr Ehemann Frédéric Joliot-Curie bei Experimenten mit der Beryllium-Strahlung folgende Tatsache fest: Lässt man die „Beryllium-Strahlung“ in eine Ionisationskammer treffen, so zeigt diese keinen nennenswerten Strom an. Bringt man jedoch vor die Ionisationskammer eine wasserstoffhaltige Materialschicht (zum Beispiel Paraffin), dann steigt der Strom in der Kammer stark an. Als Ursache vermutete das Ehepaar Joliot-Curie, dass die „Beryllium-Strahlung“ aus dem wasserstoffhaltigen Paraffin Protonen herauslöst, welche dann in der Ionisationskammer Ionisierung bewirken. Sie konnten ihre Vermutung durch den Nachweis solcher Rückstoß-Protonen in der Wilsonschen Nebelkammer belegen. Als Mechanismus vermuteten sie einen dem Compton-Effekt verwandten Vorgang. Die harte Gammastrahlung sollte den Protonen den notwendigen Impuls übertragen. Abschätzungen zeigten jedoch, dass zur Erzeugung eines Rückstoßprotons, dessen Spurlänge in der Nebelkammer etwa 26 cm betrug, eine unrealistisch hohe Gammaenergie von etwa 50 MeV notwendig wäre. ⓘ

Die von Joliot-Curie und Chadwick verwendete Apparatur zur Identifizierung der 'Unknown radiation', der „Berylliumstrahlung“ (rechts die Ionisationskammer). ⓘ

James Chadwick – ein Schüler Rutherfords, der wie er zunächst die Hypothese eines stark gebundenen Elektron-Proton-Zustands vertrat – glaubte wie dieser nicht an einen „Compton-Effekt beim Proton“ und nahm an, dass die „Beryllium-Strahlung“ aus Teilchen bestehen müsse. Als Irène und Frédéric Joliot-Curie ihre Versuchsergebnisse veröffentlichten, in denen sie zeigten, dass Bothes „Beryllium-Strahlung“ in der Lage war, aus Paraffin Protonen mit hoher Energie herauszuschlagen, war für Chadwick klar, dass es sich nicht um Gammastrahlung, sondern nur um Teilchen mit einer dem Proton vergleichbaren Masse handeln konnte. In den zahlreichen Versuchen wiederholte er die Experimente von Joliot-Curie und bestätigte deren Beobachtung. 1932 konnte er experimentell erhärten, dass es sich bei der „Beryllium-Strahlung“ nicht um Gammastrahlen, sondern um schnell bewegte Teilchen handelte, die ungefähr die Masse des Protons besitzen, jedoch elektrisch neutral sind; die Eigenschaften dieser Strahlung waren eher mit denen eines bereits zwölf Jahre zuvor von Ernest Rutherford als Kernbaustein vermuteten neutralen Teilchens in Einklang zu bringen. Da die nunmehr entdeckten Teilchen keine elektrische Ladung trugen, nannte er sie Neutronen. Chadwick veröffentlichte seine Entdeckung im Jahr 1932. Die Publikation erschien unter Letters to the Editor, ist knapp eine Seite lang und trug ihm im Jahre 1935 den Nobelpreis für Physik ein. ⓘ

Dass gerade die Kombination von Beryllium als Target und Polonium als Alphateilchen-Quelle eine hohe Neutronenausbeute ergibt, erklärt sich nach heutigem Wissen daraus, dass der Energiegewinn (Q-Wert) der $(\alpha ,{\text{n}})$-Reaktion an ⁹Be mit 5,7 MeV besonders hoch ist und dass ²¹⁰Po mit 5,3 MeV eine der höchsten natürlichen Alpha-Energien liefert. ⓘ

Mit der Entdeckung des Neutrons konnte die Beschreibung des Atomaufbaus vorerst vollendet werden: Der Atomkern, bestehend aus Protonen und Neutronen, wird von einer Hülle aus Elektronen umgeben. Bei einem elektrisch neutralen Atom ist die Anzahl der negativ geladenen Elektronen gleich der der positiv geladenen Protonen im Atomkern, wohingegen die Anzahl der Neutronen im Kern variieren kann. ⓘ

Im gleichen Jahr 1932 stellte Werner Heisenberg seine Nukleonentheorie auf. ⓘ

Noch 1940 nahm man an, dass das Neutron eine Verbindung aus Proton und Elektron darstellt. So hätte man alle Atome auf diese zwei Bausteine zurückführen können. Erst mit der weiteren Entwicklung der Quantenmechanik und der Kernphysik wurde klar, dass es keine Elektronen als dauerhafte Bestandteile des Kerns geben kann. ⓘ

„Neutron“ war ursprünglich Wolfgang Paulis Bezeichnung für das 1930 von ihm postulierte Auftreten eines (Anti-)Neutrinos beim Betazerfall gewesen. Die Bezeichnung Neutrino, vorgeschlagen von Enrico Fermi, etablierte sich erst später. ⓘ

Modelle, die die Energieniveaus der Kerne und Elektronen in Wasserstoff-, Helium-, Lithium- und Neonatomen darstellen. In der Realität ist der Durchmesser des Kerns etwa 100.000 Mal kleiner als der Durchmesser des Atoms. ⓘ

Modelle für einen aus Protonen und Neutronen bestehenden Atomkern wurden schnell von Werner Heisenberg und anderen entwickelt. Das Proton-Neutron-Modell erklärte das Rätsel der Kernspins. Der Ursprung der Betastrahlung wurde 1934 von Enrico Fermi durch den Prozess des Betazerfalls erklärt, bei dem das Neutron durch die Erzeugung eines Elektrons und eines (damals noch unentdeckten) Neutrinos in ein Proton zerfällt. Im Jahr 1935 meldeten Chadwick und sein Doktorand Maurice Goldhaber die erste genaue Messung der Masse des Neutrons. ⓘ

Bis 1934 hatte Fermi schwerere Elemente mit Neutronen beschossen, um Radioaktivität in Elementen mit hoher Ordnungszahl zu erzeugen. 1938 erhielt Fermi den Nobelpreis für Physik "für seine Nachweise der Existenz neuer radioaktiver Elemente, die durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden, und für seine damit verbundene Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen ausgelöst werden". 1938 entdeckten Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann die durch Neutronenbeschuss ausgelöste Kernspaltung, d.h. die Zerlegung von Urankernen in leichte Elemente. Im Jahr 1945 erhielt Hahn den Nobelpreis für Chemie 1944 "für seine Entdeckung der Spaltung schwerer Atomkerne". Die Entdeckung der Kernspaltung führte bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs zur Entwicklung der Kernkraft und der Atombombe. ⓘ

Der Betazerfall und die Stabilität des Atomkerns

Da wechselwirkende Protonen sich gegenseitig elektromagnetisch abstoßen, was stärker ist als ihre anziehende Kernwechselwirkung, sind Neutronen ein notwendiger Bestandteil jedes Atomkerns, der mehr als ein Proton enthält (siehe Diproton und Neutron-Proton-Verhältnis). Neutronen binden sich über die Kernkraft an Protonen und aneinander im Kern, wodurch die abstoßenden Kräfte zwischen den Protonen abgeschwächt werden und der Kern stabilisiert wird. ⓘ

Die in einem Kern gebundenen Neutronen und Protonen bilden ein quantenmechanisches System, in dem jedes Nukleon in einem bestimmten, hierarchischen Quantenzustand gebunden ist. Protonen können innerhalb des Kerns zu Neutronen zerfallen oder umgekehrt. Dieser Prozess, der als Betazerfall bezeichnet wird, erfordert die Emission eines Elektrons oder Positrons und eines zugehörigen Neutrinos. Diese emittierten Teilchen transportieren den Energieüberschuss ab, wenn ein Nukleon von einem Quantenzustand in einen niedrigeren Energiezustand fällt, während das Proton (oder Neutron) zu einem Neutron (oder Proton) wird. Solche Zerfallsprozesse können nur stattfinden, wenn die grundlegende Energieerhaltung und quantenmechanische Beschränkungen dies zulassen. Die Stabilität von Atomkernen hängt von diesen Bedingungen ab. ⓘ

Freier Neutronenzerfall

Außerhalb des Kerns sind freie Neutronen instabil und haben eine mittlere Lebensdauer von 879,6±0,8 s (etwa 14 Minuten und 40 Sekunden); die Halbwertszeit für diesen Prozess (die sich von der mittleren Lebensdauer um den Faktor ln(2) = 0,693 unterscheidet) beträgt daher 610,1±0,7 s (etwa 10 Minuten und 10 Sekunden). Dieser Zerfall ist nur möglich, weil die Masse des Protons geringer ist als die des Neutrons. Durch die Masse-Energie-Äquivalenz erreicht ein Neutron, das auf diese Weise in ein Proton zerfällt, einen niedrigeren Energiezustand. Der oben beschriebene Beta-Zerfall des Neutrons kann mit dem radioaktiven Zerfall bezeichnet werden:

n⁰
→
p⁺
+
e-
+
ν
e ⓘ

wobei
p⁺
,
e-
und
ν
e bezeichnen das Proton, das Elektron bzw. das Elektron-Antineutrino. Für das freie Neutron beträgt die Zerfallsenergie für diesen Prozess (basierend auf den Massen von Neutron, Proton und Elektron) 0,782343 MeV. Die maximale Energie des Betazerfall-Elektrons (bei dem Prozess, bei dem das Neutrino eine verschwindend geringe Menge an kinetischer Energie erhält) wurde mit 0,782±0,013 MeV gemessen. Die letztgenannte Zahl ist nicht gut genug gemessen, um die vergleichsweise winzige Ruhemasse des Neutrinos zu bestimmen (die theoretisch von der maximalen kinetischen Energie des Elektrons abgezogen werden muss), und die Neutrinomasse wird durch viele andere Methoden eingeschränkt. ⓘ

Ein kleiner Teil (etwa eines von 1000) der freien Neutronen zerfällt mit denselben Produkten, fügt aber ein zusätzliches Teilchen in Form eines emittierten Gammastrahls hinzu:

n⁰
→
p⁺
+
e-
+
ν
_e +
γ ⓘ

Diese Gammastrahlung kann man sich als "interne Bremsstrahlung" vorstellen, die durch die elektromagnetische Wechselwirkung des emittierten Betateilchens mit dem Proton entsteht. Die Erzeugung interner Bremsstrahlung ist auch ein Nebeneffekt von Betazerfällen gebundener Neutronen (wie unten beschrieben). ⓘ

Schematische Darstellung eines Atomkerns mit folgenden Merkmalen
β⁻
Strahlung, die Emission eines schnellen Elektrons aus dem Kern (das begleitende Antineutrino wird weggelassen). Im Rutherford-Modell für den Atomkern sind die roten Kugeln Protonen mit positiver Ladung und die blauen Kugeln Protonen, die fest an ein Elektron ohne Nettoladung gebunden sind.
Die Abbildung zeigt den Betazerfall eines freien Neutrons, wie er heute verstanden wird; bei diesem Prozess entstehen ein Elektron und ein Antineutrino. ⓘ

Eine sehr kleine Minderheit der Neutronenzerfälle (etwa vier pro Million) sind so genannte "Zweikörper-(Neutronen-)Zerfälle", bei denen wie üblich ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino erzeugt werden, das Elektron jedoch nicht die 13,6 eV Energie aufbringen kann, die erforderlich ist, um dem Proton zu entkommen (die Ionisierungsenergie des Wasserstoffs), und daher einfach als neutrales Wasserstoffatom (einer der "zwei Körper") an das Proton gebunden bleibt. Bei dieser Art des freien Neutronenzerfalls wird fast die gesamte Energie des Neutronenzerfalls vom Antineutrino (dem anderen "Körper") abgeführt. (Das Wasserstoffatom prallt mit einer Geschwindigkeit von nur etwa (Zerfallsenergie)/(Wasserstoff-Restenergie) mal der Lichtgeschwindigkeit, also mit 250 km/s, zurück). ⓘ

Die Umwandlung eines freien Protons in ein Neutron (plus ein Positron und ein Neutrino) ist energetisch unmöglich, da ein freies Neutron eine größere Masse hat als ein freies Proton. Ein hochenergetischer Zusammenstoß zwischen einem Proton und einem Elektron oder Neutrino kann jedoch zu einem Neutron führen. ⓘ

Gebundenes Neutron - Zerfall

Während ein freies Neutron eine Halbwertszeit von etwa 10,2 Minuten hat, sind die meisten Neutronen in Kernen stabil. Nach dem Kernschalenmodell sind die Protonen und Neutronen eines Nuklids ein quantenmechanisches System, das in diskreten Energieniveaus mit eindeutigen Quantenzahlen organisiert ist. Damit ein Neutron zerfallen kann, benötigt das entstehende Proton einen Zustand mit niedrigerer Energie als der ursprüngliche Neutronenzustand. In stabilen Kernen sind die möglichen Zustände mit niedrigerer Energie alle besetzt, d. h. sie sind jeweils von zwei Protonen mit aufwärts und abwärts gerichtetem Spin besetzt. Das Pauli-Ausschlussprinzip verbietet daher den Zerfall eines Neutrons in ein Proton in stabilen Kernen. Die Situation ist ähnlich wie bei den Elektronen eines Atoms, wo Elektronen bestimmte Atomorbitale haben und durch das Ausschlussprinzip daran gehindert werden, in niedrigere Energiezustände zu zerfallen und dabei ein Photon zu emittieren. ⓘ

Neutronen in instabilen Kernen können wie oben beschrieben durch Betazerfall zerfallen. In diesem Fall ist für das aus dem Zerfall resultierende Proton ein energetisch erlaubter Quantenzustand verfügbar. Ein Beispiel für diesen Zerfall ist Kohlenstoff-14 (6 Protonen, 8 Neutronen), der mit einer Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren zu Stickstoff-14 (7 Protonen, 7 Neutronen) zerfällt. ⓘ

Innerhalb eines Kerns kann sich ein Proton durch inversen Betazerfall in ein Neutron umwandeln, wenn ein energetisch zulässiger Quantenzustand für das Neutron verfügbar ist. Diese Umwandlung erfolgt durch die Emission eines Positrons und eines Elektronenneutrinos:

p⁺
→
n⁰
+
e⁺
+
ν
e ⓘ

Die Umwandlung eines Protons in ein Neutron innerhalb eines Atomkerns ist auch durch Elektroneneinfang möglich:

p⁺
+
e-
→
n⁰
+
ν
e

Der Einfang von Positronen durch Neutronen in Kernen mit einem Überschuss an Neutronen ist ebenfalls möglich, wird aber dadurch behindert, dass Positronen vom positiven Kern abgestoßen werden und schnell vernichtet werden, wenn sie auf Elektronen treffen. ⓘ

Konkurrenz der Betazerfallstypen

Die drei konkurrierenden Arten des Betazerfalls werden am Beispiel des Isotops Kupfer-64 (29 Protonen, 35 Neutronen) mit einer Halbwertszeit von etwa 12,7 Stunden dargestellt. Dieses Isotop hat ein ungepaartes Proton und ein ungepaartes Neutron, so dass entweder das Proton oder das Neutron zerfallen kann. Bei diesem Nuklid ist die Wahrscheinlichkeit eines Protonenzerfalls (durch Positronenemission, 18 % oder durch Elektroneneinfang, 43 %) oder eines Neutronenzerfalls (durch Elektronenemission, 39 %) fast gleich groß. ⓘ

Zerfall des Neutrons durch Elementarteilchenphysik

Das Feynman-Diagramm für den Betazerfall eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino über ein schweres W-Boson als Zwischenstufe ⓘ

Im theoretischen Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik setzt sich das Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark zusammen. Der einzig mögliche Zerfallsmodus für das Neutron, bei dem die Baryonenzahl erhalten bleibt, besteht darin, dass eines der Quarks des Neutrons über die schwache Wechselwirkung seinen Geschmack ändert. Der Zerfall eines der down-Quarks des Neutrons in ein leichteres up-Quark kann durch die Emission eines W-Bosons erreicht werden. Bei diesem Prozess, der im Standardmodell als Betazerfall beschrieben wird, zerfällt das Neutron in ein Proton (das ein Down- und zwei Up-Quarks enthält), ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. ⓘ

Das Feynman-Diagramm der führenden Ordnung für
β⁺
 den Zerfall eines Protons in ein Neutron, ein Positron und ein Elektronenneutrino über eine Zwischenstufe
W⁺
Boson. ⓘ

Der Zerfall des Protons in ein Neutron erfolgt auf ähnliche Weise durch die elektroschwache Kraft. Der Zerfall eines der up-Quarks des Protons in ein down-Quark kann durch die Emission eines W-Bosons erreicht werden. Das Proton zerfällt in ein Neutron, ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Diese Reaktion kann nur innerhalb eines Atomkerns stattfinden, der einen Quantenzustand mit niedrigerer Energie für das entstehende Neutron bereithält. ⓘ

Intrinsische Eigenschaften

Masse

Die Masse eines Neutrons kann nicht direkt durch Massenspektrometrie bestimmt werden, da es keine elektrische Ladung hat. Da jedoch die Massen eines Protons und eines Deuterons mit einem Massenspektrometer gemessen werden können, lässt sich die Masse eines Neutrons ableiten, indem man die Protonenmasse von der Deuteronmasse subtrahiert, wobei die Differenz die Masse des Neutrons plus die Bindungsenergie des Deuteriums (ausgedrückt als positive Strahlungsenergie) ist. Letztere kann direkt gemessen werden, indem man die Energie ($B_{d}$) des einzelnen 0,7822 MeV-Gamma-Photons messen, das ausgesandt wird, wenn ein Deuteron durch den Einfang eines Neutrons durch ein Proton entsteht (dies ist exotherm und geschieht mit Neutronen mit Null-Energie). Die geringe kinetische Rückstoßenergie ($E_{rd}$) des Deuterons (etwa 0,06 % der Gesamtenergie) muss ebenfalls berücksichtigt werden.

$m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}$ ⓘ

Die Energie der Gammastrahlung kann durch Röntgenbeugungstechniken mit hoher Präzision gemessen werden, wie dies erstmals 1948 von Bell und Elliot getan wurde. Die besten modernen (1986) Werte für die Neutronenmasse mit dieser Technik stammen von Greene et al. und ergeben eine Neutronenmasse von:

m_neutron = 1,008644904(14) Da ⓘ

Der Wert für die Neutronenmasse in MeV ist weniger genau bekannt, da die bekannte Umrechnung von Da in MeV/c² weniger genau ist:

m_Neutron = 939,56563(28) MeV/c². ⓘ

Eine andere Methode zur Bestimmung der Masse eines Neutrons geht vom Betazerfall des Neutrons aus, bei dem die Impulse des entstehenden Protons und Elektrons gemessen werden. ⓘ

Elektrische Ladung

Die elektrische Gesamtladung des Neutrons beträgt 0 e. Dieser Nullwert wurde experimentell überprüft, und die derzeitige experimentelle Grenze für die Ladung des Neutrons liegt bei -2(8)×10-22 e oder -3(13)×10-41 C. Dieser Wert ist unter Berücksichtigung der experimentellen Unsicherheiten (in Klammern angegeben) mit Null vereinbar. Zum Vergleich: Die Ladung des Protons beträgt +1 e. ⓘ

Magnetisches Moment

Obwohl das Neutron ein neutrales Teilchen ist, ist das magnetische Moment eines Neutrons nicht gleich Null. Das Neutron wird von elektrischen Feldern nicht beeinflusst, wohl aber von magnetischen Feldern. Das magnetische Moment des Neutrons ist ein Hinweis auf seine Quark-Substruktur und seine innere Ladungsverteilung. Der Wert für das magnetische Moment des Neutrons wurde erstmals 1940 von Luis Alvarez und Felix Bloch in Berkeley, Kalifornien, direkt gemessen. Alvarez und Bloch bestimmten das magnetische Moment des Neutrons zu μn= -1,93(2) μN, wobei μN das Kernmagneton ist. ⓘ

Im Quarkmodell für Hadronen setzt sich das Neutron aus einem Up-Quark (Ladung +2/3 e) und zwei Down-Quarks (Ladung -1/3 e) zusammen. Das magnetische Moment des Neutrons kann als Summe der magnetischen Momente der einzelnen Quarks modelliert werden. Bei der Berechnung wird davon ausgegangen, dass sich die Quarks wie punktförmige Dirac-Teilchen verhalten, die jeweils ein eigenes magnetisches Moment besitzen. Vereinfacht gesagt, ergibt sich das magnetische Moment des Neutrons aus der Vektorsumme der drei magnetischen Momente der Quarks und den orbitalen magnetischen Momenten, die durch die Bewegung der drei geladenen Quarks innerhalb des Neutrons entstehen. ⓘ

In einem der ersten Erfolge des Standardmodells berechneten Mirza A.B. Beg, Benjamin W. Lee und Abraham Pais 1964 theoretisch das Verhältnis der magnetischen Momente von Proton und Neutron zu -3/2, was mit dem experimentellen Wert bis auf 3 % übereinstimmt. Der gemessene Wert für dieses Verhältnis beträgt -1,45989805(34). Ein Widerspruch zwischen der quantenmechanischen Grundlage dieser Berechnung und dem Pauli-Ausschlussprinzip führte zur Entdeckung der Farbladung für Quarks durch Oscar W. Greenberg im Jahr 1964. ⓘ

In der obigen Darstellung werden Neutronen mit Protonen verglichen, wobei das komplexe Verhalten der Quarks zwischen den Modellen herausgerechnet wird und lediglich untersucht wird, welche Auswirkungen unterschiedliche Quark-Ladungen (oder Quark-Typen) hätten. Solche Berechnungen reichen aus, um zu zeigen, dass das Innere von Neutronen dem von Protonen sehr ähnlich ist, mit Ausnahme des Unterschieds in der Quarkzusammensetzung, bei der ein down-Quark im Neutron ein up-Quark im Proton ersetzt. ⓘ

Das magnetische Moment des Neutrons kann grob berechnet werden, indem man eine einfache nichtrelativistische, quantenmechanische Wellenfunktion für Baryonen, die aus drei Quarks bestehen, annimmt. Eine einfache Berechnung liefert ziemlich genaue Schätzungen für die magnetischen Momente von Neutronen, Protonen und anderen Baryonen. Für ein Neutron ist das Endergebnis dieser Berechnung, dass das magnetische Moment des Neutrons durch μn= 4/3 μd - 1/3 μu gegeben ist, wobei μd und μu die magnetischen Momente für die Down- bzw. Up-Quarks sind. Dieses Ergebnis kombiniert die intrinsischen magnetischen Momente der Quarks mit ihren orbitalen magnetischen Momenten und nimmt an, dass sich die drei Quarks in einem bestimmten, dominanten Quantenzustand befinden. ⓘ

Baryon	Magnetisches Moment des Quarkmodells	Berechnet ($\mu _{\mathrm {N} }$)	Beobachtet ($\mu _{\mathrm {N} }$) ⓘ
p	4/3 μu - 1/3 μd	2.79	2.793
n	4/3 μd - 1/3 μu	−1.86	−1.913

Die Ergebnisse dieser Berechnung sind ermutigend, aber es wurde angenommen, dass die Massen der up- oder down-Quarks 1/3 der Masse eines Nukleons betragen. Tatsächlich beträgt die Masse der Quarks aber nur etwa 1 % der Masse eines Nukleons. Die Diskrepanz rührt von der Komplexität des Standardmodells für Nukleonen her, bei dem der größte Teil ihrer Masse aus den Gluonenfeldern, virtuellen Teilchen und der damit verbundenen Energie stammt, die wesentliche Aspekte der starken Kraft sind. Außerdem erfordert das komplexe System von Quarks und Gluonen, aus denen ein Neutron besteht, eine relativistische Behandlung. Es ist jedoch gelungen, das magnetische Moment des Nukleons numerisch nach ersten Prinzipien zu berechnen, wobei alle genannten Effekte berücksichtigt und realistischere Werte für die Quarkmassen verwendet wurden. Die Berechnungen ergaben Ergebnisse, die mit den Messungen gut übereinstimmten, erforderten jedoch erhebliche Rechenressourcen. ⓘ

Spin

Das Neutron ist ein Teilchen mit Spin 1/2, d. h. es ist ein Fermion mit einem Eigendrehimpuls von 1/2 ħ, wobei ħ die reduzierte Planck-Konstante ist. Viele Jahre lang nach der Entdeckung des Neutrons war sein genauer Spin unklar. Obwohl man annahm, dass es sich um ein Dirac-Teilchen mit Spin 1/2 handelte, blieb die Möglichkeit bestehen, dass das Neutron ein Teilchen mit Spin 3/2 war. Die Wechselwirkungen des magnetischen Moments des Neutrons mit einem äußeren Magnetfeld wurden ausgenutzt, um den Spin des Neutrons endgültig zu bestimmen. 1949 maßen Hughes und Burgy Neutronen, die von einem ferromagnetischen Spiegel reflektiert wurden, und stellten fest, dass die Winkelverteilung der Reflexionen mit Spin 1/2 übereinstimmte. 1954 setzten Sherwood, Stephenson und Bernstein Neutronen in einem Stern-Gerlach-Experiment ein, das ein Magnetfeld zur Trennung der Spin-Zustände von Neutronen nutzte. Sie registrierten zwei solcher Spin-Zustände, die mit einem Teilchen mit Spin 1/2 übereinstimmen. ⓘ

Als Fermion unterliegt das Neutron dem Pauli-Ausschlussprinzip; zwei Neutronen können nicht die gleichen Quantenzahlen haben. Dies ist die Ursache für den Entartungsdruck, der Neutronensterne möglich macht. ⓘ

Struktur und Geometrie der Ladungsverteilung

Ein 2007 veröffentlichter Artikel mit einer modellunabhängigen Analyse kam zu dem Schluss, dass das Neutron eine negativ geladene Außenhülle, eine positiv geladene Mitte und einen negativen Kern hat. In einer vereinfachten klassischen Sichtweise hilft die negative "Haut" des Neutrons, von den Protonen angezogen zu werden, mit denen es im Kern wechselwirkt; die Hauptanziehungskraft zwischen Neutronen und Protonen erfolgt jedoch über die Kernkraft, die keine elektrische Ladung beinhaltet. ⓘ

Die vereinfachte klassische Sichtweise der Ladungsverteilung des Neutrons "erklärt" auch die Tatsache, dass der magnetische Dipol des Neutrons in die entgegengesetzte Richtung zu seinem Drehimpulsvektor zeigt (im Vergleich zum Proton). Dadurch erhält das Neutron ein magnetisches Moment, das dem eines negativ geladenen Teilchens ähnelt. Dies lässt sich klassischerweise mit einem neutralen Neutron vereinbaren, das aus einer Ladungsverteilung besteht, bei der die negativen Unterteile des Neutrons einen größeren durchschnittlichen Verteilungsradius haben und daher mehr zum magnetischen Dipolmoment des Teilchens beitragen als die positiven Teile, die sich im Durchschnitt näher am Kern befinden. ⓘ

Elektrisches Dipolmoment

Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt eine winzige Trennung von positiver und negativer Ladung innerhalb des Neutrons voraus, die zu einem permanenten elektrischen Dipolmoment führt. Der vorhergesagte Wert liegt jedoch weit unter der derzeitigen Empfindlichkeit der Experimente. Aus mehreren ungelösten Rätseln der Teilchenphysik geht hervor, dass das Standardmodell nicht die endgültige und vollständige Beschreibung aller Teilchen und ihrer Wechselwirkungen ist. Neue Theorien, die über das Standardmodell hinausgehen, führen im Allgemeinen zu viel größeren Vorhersagen für das elektrische Dipolmoment des Neutrons. Derzeit gibt es mindestens vier Experimente, die versuchen, zum ersten Mal ein endliches elektrisches Dipolmoment des Neutrons zu messen, darunter:

• Kryogenes Neutronen-EDM-Experiment, das am Institut Laue-Langevin aufgebaut wird
• nEDM-Experiment, das an der neuen UCN-Quelle am Paul Scherrer Institut aufgebaut wird
• nEDM-Experiment, das an der Spallations-Neutronenquelle geplant ist
• nEDM-Experiment im Aufbau am Institut Laue-Langevin ⓘ

Antineutron

Das Antineutron ist das Antiteilchen des Neutrons. Es wurde 1956 von Bruce Cork entdeckt, ein Jahr nachdem das Antiproton entdeckt wurde. Da die CPT-Symmetrie die relativen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen stark einschränkt, ist die Untersuchung von Antineutronen ein strenger Test für die CPT-Symmetrie. Die Massendifferenz zwischen Neutron und Antineutron beträgt (9±6)×10-5. Da der Unterschied nur etwa zwei Standardabweichungen von Null entfernt ist, liefert dies keinen überzeugenden Beweis für eine CPT-Verletzung. ⓘ

Neutronenverbindungen

Dineutronen und Tetraneutronen

Die Existenz von stabilen Clustern aus vier Neutronen oder Tetraneutronen wurde von einem Team unter der Leitung von Francisco-Miguel Marqués am CNRS-Labor für Kernphysik anhand von Beobachtungen des Zerfalls von Beryllium-14-Kernen vermutet. Dies ist besonders interessant, da die derzeitige Theorie besagt, dass diese Cluster nicht stabil sein sollten. ⓘ

Im Februar 2016 berichteten der japanische Physiker Susumu Shimoura von der Universität Tokio und seine Kollegen, dass sie die vermeintlichen Tetraneutronen zum ersten Mal experimentell beobachtet haben. Kernphysiker auf der ganzen Welt sagen, dass diese Entdeckung, sollte sie sich bestätigen, ein Meilenstein auf dem Gebiet der Kernphysik wäre und sicherlich unser Verständnis der Kernkräfte vertiefen würde. ⓘ

Das Dineutron ist ein weiteres hypothetisches Teilchen. Im Jahr 2012 berichteten Artemis Spyrou von der Michigan State University und seine Mitarbeiter, dass sie zum ersten Mal die Dineutron-Emission beim Zerfall von ¹⁶Be beobachtet haben. Der Dineutron-Charakter zeigt sich in einem kleinen Emissionswinkel zwischen den beiden Neutronen. Die Autoren maßen die Zwei-Neutronen-Trennungsenergie mit 1,35(10) MeV, was in guter Übereinstimmung mit Schalenmodellberechnungen unter Verwendung von Standardwechselwirkungen für diesen Massenbereich steht. ⓘ

Neutronium und Neutronensterne

Es wird angenommen, dass Nukleonen und Elektronen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen zu einer neutronischen Materie, dem Neutronium, kollabieren. Es wird angenommen, dass dies in Neutronensternen geschieht. ⓘ

Der extreme Druck im Inneren eines Neutronensterns kann die Neutronen zu einer kubischen Symmetrie verformen, die eine engere Packung der Neutronen ermöglicht. ⓘ

Nachweis

Die übliche Methode zum Nachweis eines geladenen Teilchens durch die Suche nach einer Ionisierungsspur (wie in einer Nebelkammer) funktioniert bei Neutronen nicht direkt. Neutronen, die elastisch an Atomen gestreut werden, können eine Ionisationsspur erzeugen, die nachweisbar ist, aber die Experimente sind nicht so einfach durchzuführen; andere Methoden zum Nachweis von Neutronen, die darin bestehen, sie mit Atomkernen in Wechselwirkung treten zu lassen, werden häufiger verwendet. Die gebräuchlichen Methoden zum Nachweis von Neutronen lassen sich daher nach den zugrunde liegenden nuklearen Prozessen kategorisieren, vor allem nach dem Neutroneneinfang oder der elastischen Streuung. ⓘ

Neutronennachweis durch Neutroneneinfang

Eine gängige Methode zum Nachweis von Neutronen ist die Umwandlung der bei Neutroneneinfangreaktionen freigesetzten Energie in elektrische Signale. Bestimmte Nuklide haben einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt, d. h. die Wahrscheinlichkeit, ein Neutron zu absorbieren. Nach dem Neutroneneinfang sendet der Verbundkern eine leichter nachweisbare Strahlung aus, zum Beispiel ein Alphateilchen, das dann nachgewiesen wird. Die Nuklide ³
He
, ⁶
Li
, ¹⁰
B
, ²³³
U
, ²³⁵
U
, ²³⁷
Np
, und ²³⁹
Pu
sind für diesen Zweck nützlich. ⓘ

Neutronennachweis durch elastische Streuung

Neutronen können an Kernen elastisch streuen, was zu einem Rückstoß des getroffenen Kerns führt. Kinematisch kann ein Neutron mehr Energie auf einen leichten Kern wie Wasserstoff oder Helium übertragen als auf einen schwereren Kern. Detektoren, die auf elastischer Streuung beruhen, werden als Detektoren für schnelle Neutronen bezeichnet. Aufschaukelnde Kerne können ionisieren und durch Zusammenstöße weitere Atome anregen. Das auf diese Weise erzeugte Ladungs- und/oder Szintillationslicht kann gesammelt werden, um ein Nachweissignal zu erzeugen. Eine große Herausforderung bei der Detektion schneller Neutronen ist die Unterscheidung solcher Signale von fehlerhaften Signalen, die durch Gammastrahlung im selben Detektor erzeugt werden. Zur Unterscheidung von Neutronensignalen und Gammastrahlensignalen können Methoden wie die Pulsformunterscheidung eingesetzt werden, obwohl bestimmte anorganische Detektoren auf Szintillatorbasis entwickelt wurden, um Neutronen in gemischten Strahlungsfeldern selektiv und ohne zusätzliche Techniken zu erkennen. ⓘ

Schnelle Neutronendetektoren haben den Vorteil, dass sie keinen Moderator benötigen und daher in der Lage sind, die Energie des Neutrons, die Ankunftszeit und in bestimmten Fällen auch die Einfallsrichtung zu messen. ⓘ

Da Neutronen keine elektrische Ladung tragen, können sie nicht direkt mit auf Ionisierung beruhenden Detektoren nachgewiesen werden. Der Nachweis von Neutronen geschieht mittels Neutronendetektoren. Bei niedrigen Neutronenenergien (unter etwa hundert keV) beruhen diese stets auf einer geeigneten Kernreaktion, z. B. Neutronenabsorption mit anschließendem Zerfall:

$\mathrm {n} +{}^{3}\mathrm {He} \rightarrow {}^{3}\mathrm {H} +{}^{1}\mathrm {H} +0{,}764\,\mathrm {MeV}$ siehe Neutronendetektion mit Helium-3 ⓘ

Bei höheren Energien kann auch der Rückstoß ausgenutzt werden, den ein geladenes Teilchen (meist Proton) bei der Streuung des Neutrons erfährt. ⓘ

Quellen und Erzeugung

Freie Neutronen sind instabil, obwohl sie die längste Halbwertszeit aller instabilen subatomaren Teilchen haben, und zwar um mehrere Größenordnungen. Ihre Halbwertszeit beträgt jedoch nur etwa 10 Minuten, so dass sie nur aus Quellen gewonnen werden können, die sie kontinuierlich erzeugen. ⓘ

Natürlicher Neutronenhintergrund. Ein geringer natürlicher Hintergrundfluss freier Neutronen ist überall auf der Erde vorhanden. In der Atmosphäre und in den Tiefen der Ozeane wird der "Neutronenhintergrund" durch Myonen verursacht, die durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre entstehen. Diese hochenergetischen Myonen sind in der Lage, bis in beträchtliche Tiefen in Wasser und Boden einzudringen. Wenn sie dort auf Atomkerne treffen, lösen sie unter anderem Spallationsreaktionen aus, bei denen ein Neutron aus dem Kern freigesetzt wird. Eine zweite Quelle sind die Neutronen, die in der Erdkruste vor allem durch die spontane Spaltung von Uran und Thorium in den Mineralien der Erdkruste entstehen. Der Neutronenhintergrund ist nicht stark genug, um eine biologische Gefahr darzustellen, aber er ist von Bedeutung für hochauflösende Teilchendetektoren, die nach sehr seltenen Ereignissen suchen, wie z. B. (vermutete) Wechselwirkungen, die durch Teilchen der dunklen Materie verursacht werden könnten. Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass sogar Gewitter Neutronen mit Energien von bis zu einigen zehn MeV erzeugen können. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass die Fluenz dieser Neutronen je nach Nachweishöhe zwischen 10-9 und 10-13 pro ms und pro m² liegt. Die Energie der meisten dieser Neutronen, selbst mit Anfangsenergien von 20 MeV, sinkt innerhalb von 1 ms bis in den keV-Bereich ab. ⓘ

Eine noch stärkere Neutronenhintergrundstrahlung entsteht an der Marsoberfläche, wo die Atmosphäre zwar dick genug ist, um Neutronen aus der Myonenproduktion der kosmischen Strahlung und der Neutronenspallation zu erzeugen, aber nicht dick genug, um einen nennenswerten Schutz vor den erzeugten Neutronen zu bieten. Diese Neutronen stellen nicht nur eine Gefahr für die Neutronenstrahlung auf der Marsoberfläche dar, sondern können auch eine erhebliche Gefahr durch die Reflexion der Neutronen von der Marsoberfläche darstellen, wodurch reflektierte Neutronenstrahlung entsteht, die vom Boden aus nach oben in ein Raumfahrzeug oder ein Habitat auf dem Mars eindringt. ⓘ

Quellen von Neutronen für die Forschung. Dazu gehören bestimmte Arten des radioaktiven Zerfalls (Spontanspaltung und Neutronenemission) und bestimmte Kernreaktionen. Zu den bequemen Kernreaktionen gehören Tischreaktionen wie der natürliche Alpha- und Gammabeschuss bestimmter Nuklide, häufig Beryllium oder Deuterium, und die induzierte Kernspaltung, wie sie in Kernreaktoren stattfindet. Darüber hinaus erzeugen auch hochenergetische Kernreaktionen (wie sie in kosmischen Strahlungsschauern oder Beschleunigerkollisionen auftreten) Neutronen aus dem Zerfall von Zielkernen. Kleine (Tisch-)Teilchenbeschleuniger, die für die Erzeugung freier Neutronen auf diese Weise optimiert sind, werden als Neutronengeneratoren bezeichnet. ⓘ

In der Praxis nutzen die am häufigsten verwendeten kleinen Laborquellen für Neutronen den radioaktiven Zerfall zur Neutronenproduktion. Ein bekanntes neutronenproduzierendes Radioisotop, Kalifornium-252, zerfällt (Halbwertszeit 2,65 Jahre) in 3 % der Fälle durch spontane Spaltung mit einer Produktion von 3,7 Neutronen pro Spaltung und wird allein als Neutronenquelle aus diesem Prozess verwendet. Kernreaktionsquellen (mit zwei Materialien), die mit Radioisotopen betrieben werden, verwenden eine Quelle für den Alphazerfall und ein Beryllium-Target oder eine Quelle für hochenergetische Gammastrahlung aus einer Quelle, die einen Betazerfall mit anschließendem Gammazerfall durchläuft, der bei der Wechselwirkung der hochenergetischen Gammastrahlung mit gewöhnlichem stabilem Beryllium oder mit dem Deuterium in schwerem Wasser Photoneutronen erzeugt. Eine beliebte Quelle des letzteren Typs ist radioaktives Antimon-124 plus Beryllium, ein System mit einer Halbwertszeit von 60,9 Tagen, das aus natürlichem Antimon (das zu 42,8 % aus stabilem Antimon-123 besteht) hergestellt werden kann, indem es in einem Kernreaktor mit Neutronen aktiviert und dann dorthin transportiert wird, wo die Neutronenquelle benötigt wird. ⓘ

Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich - eine bedeutende Neutronenforschungseinrichtung. ⓘ

Kernspaltungsreaktoren erzeugen auf natürliche Weise freie Neutronen; ihre Aufgabe ist es, die energieerzeugende Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Die intensive Neutronenstrahlung kann auch genutzt werden, um verschiedene Radioisotope durch den Prozess der Neutronenaktivierung, einer Art Neutroneneinfang, herzustellen. ⓘ

Experimentelle Kernfusionsreaktoren produzieren freie Neutronen als Abfallprodukt. In diesen Neutronen steckt jedoch der größte Teil der Energie, und die Umwandlung dieser Energie in eine nützliche Form hat sich als schwierige technische Herausforderung erwiesen. Bei Fusionsreaktoren, die Neutronen erzeugen, fallen wahrscheinlich radioaktive Abfälle an, die sich jedoch aus durch Neutronen aktivierten leichteren Isotopen zusammensetzen, die relativ kurze (50-100 Jahre) Zerfallszeiten haben, im Vergleich zu den typischen Halbwertszeiten von 10.000 Jahren bei Spaltungsabfällen, die vor allem auf die lange Halbwertszeit der alpha-emittierenden transuranischen Aktiniden zurückzuführen sind. Einige Hybridsysteme aus Kernfusion und Kernspaltung sollen diese Neutronen nutzen, um entweder einen unterkritischen Reaktor aufrechtzuerhalten oder um schädliche, langlebige nukleare Abfälle in kürzerlebige oder stabile Nuklide umzuwandeln. ⓘ

Neutronenstrahlen und Modifizierung der Strahlen nach ihrer Erzeugung

Freie Neutronenstrahlen werden aus Neutronenquellen durch Neutronentransport gewonnen. Um Zugang zu intensiven Neutronenquellen zu erhalten, müssen die Forscher eine spezialisierte Neutroneneinrichtung aufsuchen, die einen Forschungsreaktor oder eine Spallationsquelle betreibt. ⓘ

Da Neutronen keine elektrische Gesamtladung haben, ist es schwierig, sie zu lenken oder zu beschleunigen. Geladene Teilchen können durch elektrische oder magnetische Felder beschleunigt, abgebremst oder abgelenkt werden. Diese Methoden haben wenig Wirkung auf Neutronen. Aufgrund des magnetischen Moments des Neutrons können jedoch einige Effekte durch inhomogene Magnetfelder erzielt werden. Neutronen können durch Methoden wie Moderation, Reflexion und Geschwindigkeitsauswahl kontrolliert werden. Thermische Neutronen können durch Übertragung durch magnetische Materialien analog zum Faraday-Effekt für Photonen polarisiert werden. Kalte Neutronen mit einer Wellenlänge von 6-7 Angström können mit Hilfe von magnetischen Spiegeln und magnetisierten Interferenzfiltern in Strahlen mit einem hohen Polarisationsgrad erzeugt werden. ⓘ

Anwendungen

Das Neutron spielt bei vielen Kernreaktionen eine wichtige Rolle. So führt der Neutroneneinfang häufig zu einer Neutronenaktivierung, die Radioaktivität hervorruft. Das Wissen über Neutronen und ihr Verhalten war insbesondere für die Entwicklung von Kernreaktoren und Kernwaffen von Bedeutung. Die Spaltung von Elementen wie Uran-235 und Plutonium-239 wird durch ihre Absorption von Neutronen verursacht. ⓘ

Kalte, thermische und heiße Neutronenstrahlung wird üblicherweise in Neutronenstreuungsanlagen eingesetzt, wo die Strahlung in ähnlicher Weise wie Röntgenstrahlen für die Analyse kondensierter Materie verwendet wird. Neutronen ergänzen letztere in Bezug auf atomare Kontraste durch unterschiedliche Streuquerschnitte, Empfindlichkeit gegenüber Magnetismus, Energiebereich für inelastische Neutronenspektroskopie und tiefes Eindringen in Materie. ⓘ

Die Entwicklung von "Neutronenlinsen", die auf der Totalreflexion in hohlen Glaskapillaren oder der Reflexion an gewölbten Aluminiumplatten beruhen, hat die laufenden Forschungsarbeiten zur Neutronenmikroskopie und zur Neutronen-/Gammastrahlen-Tomographie vorangetrieben. ⓘ

Eine wichtige Anwendung von Neutronen ist die Anregung von verzögerter und prompter Gammastrahlung aus Elementen in Materialien. Dies bildet die Grundlage für die Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) und die prompte Gamma-Neutronenaktivierungsanalyse (PGNAA). Die NAA wird am häufigsten für die Analyse kleiner Materialproben in einem Kernreaktor verwendet, während die PGNAA am häufigsten für die Analyse von unterirdischem Gestein in der Nähe von Bohrlöchern und von industriellem Schüttgut auf Förderbändern eingesetzt wird. ⓘ

Eine weitere Anwendung von Neutronenstrahlern ist der Nachweis von leichten Kernen, insbesondere von Wasserstoff in Wassermolekülen. Wenn ein schnelles Neutron mit einem leichten Kern zusammenstößt, verliert es einen großen Teil seiner Energie. Durch Messung der Geschwindigkeit, mit der langsame Neutronen nach der Reflexion an Wasserstoffkernen zur Sonde zurückkehren, kann eine Neutronensonde den Wassergehalt im Boden bestimmen. ⓘ

Medizinische Therapien

Da Neutronenstrahlung sowohl durchdringend als auch ionisierend ist, kann sie für medizinische Behandlungen genutzt werden. Allerdings kann die Neutronenstrahlung den unglücklichen Nebeneffekt haben, dass der betroffene Bereich radioaktiv wird. Die Neutronentomographie ist daher keine brauchbare medizinische Anwendung. ⓘ

Bei der schnellen Neutronentherapie werden hochenergetische Neutronen von typischerweise mehr als 20 MeV zur Behandlung von Krebs eingesetzt. Die Strahlentherapie von Krebserkrankungen basiert auf der biologischen Reaktion von Zellen auf ionisierende Strahlung. Wenn die Strahlung in kleinen Sitzungen verabreicht wird, um die Krebsbereiche zu schädigen, hat das normale Gewebe Zeit, sich selbst zu reparieren, während die Tumorzellen dies oft nicht können. Neutronenstrahlung kann einer Krebsregion Energie zuführen, die um eine Größenordnung höher ist als die von Gammastrahlen. ⓘ

Strahlen von Neutronen mit niedriger Energie werden bei der Borneutroneneinfangtherapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt. Bei der Borneutroneneinfangtherapie wird dem Patienten ein borhaltiges Medikament verabreicht, das sich bevorzugt in dem zu behandelnden Tumor anreichert. Der Tumor wird dann mit sehr niederenergetischen Neutronen beschossen (die allerdings oft höher als die thermische Energie sind), die vom Bor-10-Isotop im Bor eingefangen werden, wodurch ein angeregter Zustand von Bor-11 entsteht, der dann zerfällt, um Lithium-7 und ein Alphateilchen zu erzeugen, die genügend Energie haben, um die bösartige Zelle abzutöten, aber nicht genügend Reichweite, um benachbarte Zellen zu schädigen. Damit eine solche Therapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden kann, ist eine Neutronenquelle mit einer Intensität in der Größenordnung von einer Milliarde (10⁹) Neutronen pro Sekunde und cm² erforderlich. Für solche Flüsse ist ein Forschungskernreaktor erforderlich. ⓘ

Schutz

Die Exposition gegenüber freien Neutronen kann gefährlich sein, da die Wechselwirkung der Neutronen mit den Molekülen im Körper zu Störungen der Moleküle und Atome führen kann und auch Reaktionen auslösen kann, bei denen andere Strahlungsformen (wie Protonen) entstehen. Es gelten die normalen Vorsichtsmaßnahmen des Strahlenschutzes: Vermeiden Sie die Exposition, halten Sie sich so weit wie möglich von der Quelle entfernt und beschränken Sie die Expositionszeit auf ein Minimum. Besondere Aufmerksamkeit muss jedoch dem Schutz vor Neutronenstrahlung gewidmet werden. Für andere Strahlungsarten, z. B. Alpha-, Beta- oder Gammastrahlen, ist Material mit einer hohen Ordnungszahl und einer hohen Dichte eine gute Abschirmung; häufig wird Blei verwendet. Bei Neutronen funktioniert dieser Ansatz jedoch nicht, da die Absorption von Neutronen nicht wie bei Alpha-, Beta- und Gammastrahlung direkt mit der Ordnungszahl zunimmt. Stattdessen muss man die besonderen Wechselwirkungen der Neutronen mit der Materie berücksichtigen (siehe den Abschnitt über den Nachweis oben). So werden zum Beispiel oft wasserstoffreiche Materialien zur Abschirmung von Neutronen verwendet, da gewöhnlicher Wasserstoff Neutronen sowohl streut als auch verlangsamt. Das bedeutet oft, dass einfache Betonblöcke oder sogar mit Paraffin beladene Kunststoffblöcke einen besseren Schutz vor Neutronen bieten als wesentlich dichtere Materialien. Nach der Verlangsamung können die Neutronen dann mit einem Isotop absorbiert werden, das eine hohe Affinität für langsame Neutronen hat, ohne eine sekundäre Einfangstrahlung zu verursachen, wie z. B. Lithium-6. ⓘ

Wasserstoffreiches normales Wasser beeinflusst die Neutronenabsorption in Kernspaltungsreaktoren: Normalerweise werden Neutronen von normalem Wasser so stark absorbiert, dass eine Brennstoffanreicherung mit spaltbaren Isotopen erforderlich ist. Das Deuterium in schwerem Wasser hat eine sehr viel geringere Absorptionsaffinität für Neutronen als Protium (normaler leichter Wasserstoff). Deuterium wird daher in Reaktoren des Typs CANDU verwendet, um die Neutronengeschwindigkeit zu verlangsamen (abzumildern) und so die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung im Vergleich zum Neutroneneinfang zu erhöhen. ⓘ

Neutronentemperatur

Thermische Neutronen

Thermische Neutronen sind freie Neutronen, deren Energie bei Raumtemperatur eine Maxwell-Boltzmann-Verteilung mit kT = 0,0253 eV (4,0×10-21 J) aufweist. Daraus ergibt sich eine charakteristische (nicht mittlere oder mediane) Geschwindigkeit von 2,2 km/s. Der Name "thermisch" kommt daher, dass ihre Energie die des Gases oder Materials ist, das sie bei Raumtemperatur durchdringen. (siehe kinetische Theorie für Energien und Geschwindigkeiten von Molekülen). Nach einer Reihe von Zusammenstößen (oft im Bereich von 10-20) mit Kernen erreichen Neutronen dieses Energieniveau, sofern sie nicht absorbiert werden. ⓘ

In vielen Stoffen weisen thermische Neutronenreaktionen einen viel größeren Wirkungsquerschnitt auf als Reaktionen mit schnelleren Neutronen, so dass thermische Neutronen von den Atomkernen, mit denen sie zusammenstoßen, leichter (d. h. mit höherer Wahrscheinlichkeit) absorbiert werden können, wodurch ein schwereres - und oft instabiles - Isotop des chemischen Elements entsteht. ⓘ

Die meisten Spaltreaktoren verwenden einen Neutronenmoderator, um die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen zu verlangsamen oder zu thermisieren, so dass sie leichter eingefangen werden können und eine weitere Spaltung verursachen. Andere, so genannte schnelle Brutreaktoren, nutzen die Neutronen der Spaltungsenergie direkt. ⓘ

Kalte Neutronen

Kalte Neutronen sind thermische Neutronen, die in einer sehr kalten Substanz wie z. B. flüssigem Deuterium ins Gleichgewicht gebracht wurden. Eine solche kalte Quelle befindet sich im Moderator eines Forschungsreaktors oder einer Spallationsquelle. Kalte Neutronen sind besonders wertvoll für Experimente mit Neutronenstreuung. ⓘ

Kalte Neutronenquelle, die Neutronen bei etwa der Temperatur von flüssigem Wasserstoff liefert ⓘ

Ultrakalte Neutronen

Ultrakalte Neutronen werden durch inelastische Streuung kalter Neutronen an Stoffen mit geringem Neutronenabsorptionsquerschnitt bei einer Temperatur von wenigen Kelvin erzeugt, z. B. an festem Deuterium oder superfluidem Helium. Eine alternative Produktionsmethode ist die mechanische Abbremsung kalter Neutronen unter Ausnutzung der Dopplerverschiebung. ⓘ

Spaltungsenergie Neutronen

Ein schnelles Neutron ist ein freies Neutron mit einer kinetischen Energie von etwa 1 MeV (1,6×10-13 J), also einer Geschwindigkeit von ~14000 km/s (~ 5 % der Lichtgeschwindigkeit). Sie werden als Spaltungsenergie- oder schnelle Neutronen bezeichnet, um sie von den energieärmeren thermischen Neutronen und den in kosmischen Schauern oder Beschleunigern erzeugten hochenergetischen Neutronen zu unterscheiden. Schnelle Neutronen werden durch Kernprozesse wie die Kernspaltung erzeugt. Wie bereits erwähnt, haben die bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen eine Maxwell-Boltzmann-Verteilung der kinetischen Energien von 0 bis ~14 MeV, eine mittlere Energie von 2 MeV (für ²³⁵U-Spaltneutronen) und einen Modus von nur 0,75 MeV, was bedeutet, dass mehr als die Hälfte von ihnen nicht als schnell eingestuft werden kann (und somit fast keine Chance hat, eine Spaltung in fruchtbaren Materialien wie ²³⁸U und ²³²Th auszulösen). ⓘ

Schnelle Neutronen können durch einen Prozess namens Moderation in thermische Neutronen umgewandelt werden. Dies geschieht mit einem Neutronenmoderator. In Reaktoren werden in der Regel schweres Wasser, leichtes Wasser oder Graphit zur Moderation der Neutronen verwendet. ⓘ

Fusionsneutronen

Die Fusionsreaktionsrate steigt mit der Temperatur rasch an, bis sie ihren Höhepunkt erreicht und dann allmählich abfällt. Die D-T-Rate erreicht ihren Höhepunkt bei einer niedrigeren Temperatur (etwa 70 keV oder 800 Millionen Kelvin) und bei einem höheren Wert als andere Reaktionen, die üblicherweise für Fusionsenergie in Betracht gezogen werden. ⓘ

Die D-T-Fusion (Deuterium-Tritium) ist die Fusionsreaktion, bei der die energiereichsten Neutronen entstehen, mit einer kinetischen Energie von 14,1 MeV und einer Geschwindigkeit von 17 % der Lichtgeschwindigkeit. Die D-T-Fusion ist auch die am leichtesten zu zündende Fusionsreaktion. Sie erreicht nahezu Spitzenwerte, selbst wenn die Deuterium- und Tritiumkerne nur ein Tausendstel so viel kinetische Energie haben wie die 14,1 MeV, die erzeugt werden. ⓘ

Neutronen mit 14,1 MeV haben etwa zehnmal so viel Energie wie Spaltneutronen und sind sehr effektiv bei der Spaltung selbst nicht spaltbarer schwerer Kerne, und diese hochenergetischen Spaltungen erzeugen im Durchschnitt mehr Neutronen als Spaltungen durch Neutronen mit niedrigerer Energie. Dies macht D-T-Fusionsneutronenquellen wie die vorgeschlagenen Tokamak-Leistungsreaktoren für die Transmutation transuranischer Abfälle nützlich. 14,1 MeV-Neutronen können auch Neutronen erzeugen, indem sie sie aus Kernen herausschlagen. ⓘ

Andererseits ist es unwahrscheinlicher, dass diese sehr energiereichen Neutronen einfach eingefangen werden, ohne eine Spaltung oder Spallation auszulösen. Aus diesen Gründen werden bei der Entwicklung von Kernwaffen in großem Umfang D-T-Fusionsneutronen mit 14,1 MeV eingesetzt, um mehr Spaltungen zu verursachen. Fusionsneutronen sind in der Lage, Spaltung in normalerweise nicht spaltbaren Materialien wie abgereichertem Uran (Uran-238) zu verursachen, und diese Materialien wurden in den Ummantelungen von thermonuklearen Waffen verwendet. Fusionsneutronen können auch Stoffe spalten, die für die Herstellung von Primärspaltungsbomben ungeeignet oder schwierig sind, wie z. B. Plutonium in Reaktorqualität. Diese physikalische Tatsache führt dazu, dass gewöhnliche, nicht waffenfähige Materialien in bestimmten Diskussionen und Verträgen über die Verbreitung von Kernwaffen zu einem Problem werden. ⓘ

Andere Fusionsreaktionen erzeugen viel weniger energiereiche Neutronen. Bei der D-D-Fusion entstehen in der Hälfte der Fälle ein 2,45 MeV-Neutron und Helium-3, in der übrigen Zeit Tritium und ein Proton, aber kein Neutron. Bei der D-³He-Fusion entsteht kein Neutron. ⓘ

Mittelenergetische Neutronen

Transmutationsfluss im Leichtwasserreaktor, der ein Thermospektrumsreaktor ist ⓘ

Ein Neutron mit Spaltungsenergie, das abgebremst wurde, aber noch keine thermische Energie erreicht hat, wird als epithermisches Neutron bezeichnet. ⓘ

Die Wirkungsquerschnitte sowohl für Einfang- als auch für Spaltreaktionen weisen häufig mehrere Resonanzspitzen bei bestimmten Energien im epithermischen Energiebereich auf. Diese sind in einem schnellen Neutronenreaktor, in dem die meisten Neutronen absorbiert werden, bevor sie auf diesen Bereich abbremsen, oder in einem gut moderierten thermischen Reaktor, in dem epithermische Neutronen hauptsächlich mit Moderatorkernen und nicht mit spaltbaren oder fruchtbaren Aktinidnukliden wechselwirken, von geringerer Bedeutung. In einem teilmoderierten Reaktor jedoch, in dem epithermische Neutronen verstärkt mit Schwermetallkernen wechselwirken, besteht eine größere Möglichkeit für vorübergehende Änderungen der Reaktivität, die die Reaktorkontrolle erschweren könnten. ⓘ

Das Verhältnis von Einfangreaktionen zu Spaltreaktionen ist bei den meisten Kernbrennstoffen wie Plutonium-239 ebenfalls schlechter (mehr Einfänge ohne Spaltung), was Reaktoren mit epithermischem Spektrum, die diese Brennstoffe verwenden, weniger wünschenswert macht, da bei den Einfängen nicht nur das eine eingefangene Neutron verschwendet wird, sondern in der Regel auch ein Nuklid entsteht, das mit thermischen oder epithermischen Neutronen nicht spaltbar ist, mit schnellen Neutronen aber dennoch spaltbar ist. Eine Ausnahme bildet das Uran-233 des Thoriumkreislaufs, das bei allen Neutronenenergien gute Einfang-Spalt-Verhältnisse aufweist. ⓘ

Hochenergetische Neutronen

Hochenergetische Neutronen haben viel mehr Energie als Spaltneutronen und werden als Sekundärteilchen in Teilchenbeschleunigern oder in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung erzeugt. Diese hochenergetischen Neutronen sind äußerst effizient bei der Ionisierung und verursachen mit viel größerer Wahrscheinlichkeit den Zelltod als Röntgenstrahlen oder Protonen. ⓘ

Physikalische Beschreibung

Zerfall und Lebensdauer

Das Neutron hat mit 939,6 MeV eine um 1,3 MeV (0,14 %) größere Ruheenergie als das Proton. Es zerfällt, falls es nicht in einem Atomkern gebunden ist, als Beta-Minus-Strahler (β⁻-Strahler) in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino:

$\mathrm {n} \rightarrow \mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+0{,}78\,\mathrm {MeV}$. ⓘ

Die mittlere Lebensdauer des Neutrons beträgt etwa 879 Sekunden (knapp 15 Minuten); dies entspricht einer Halbwertszeit von etwa 610 Sekunden. Das ist die mit Abstand größte Halbwertszeit aller instabilen Hadronen. Sie ist schwierig zu messen, denn ein in normaler materieller Umgebung (auch in Luft) freigesetztes Neutron wird meist in Sekundenbruchteilen wieder von einem Atomkern absorbiert, „erlebt“ seinen Zerfall also nicht. Dementsprechend ist der Zerfall bei praktischen Anwendungen bedeutungslos, und das Neutron kann dafür als stabiles Teilchen angesehen werden. Grundlagenphysikalisch ist der Zerfall jedoch interessant. In einer frühen Phase des Universums machten freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus; man kann die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung) besser nachvollziehen, wenn die Lebensdauer des Neutrons genau bekannt ist. Außerdem erhofft man sich ein besseres Verständnis der schwachen Wechselwirkung. ⓘ

Die Lebensdauer des Neutrons kann mit Hilfe zweier verschiedener Methoden bestimmt werden: mit der Strahl-Methode, die 888,0 ± 2,0 s ergibt, und der Flaschen-Methode, die 879,6 ± 0,6 s (nach neueren Messungen 877,7 ± 0,8 s (2018) bzw. 877,75 ± 0,38 s (2021)) ergibt. Mit Verbesserung der Messmethoden ist dieser Unterschied von ca. 1 %, den man anfangs für einen Messfehler hielt, immer signifikanter geworden und liegt mittlerweile bei etwas mehr als 4 σ. Die Ursache ist unbekannt. ⓘ

Freie Neutronen

Klassifizierung

Die Wechselwirkung freier Neutronen mit Materie ist je nach ihrer kinetischen Energie sehr verschieden. Deswegen werden Neutronen nach ihrer Energie klassifiziert. Die Bezeichnungen werden nicht ganz einheitlich verwendet. Folgende Tabelle ist angelehnt an :

Klassifizierung	kinetische Energie	Geschwindigkeit	Temperatur
Langsame Neutronen	bis 100 eV	bis 150 km/s	bis 800 000 K
Ultrakalte Neutronen (UCN)	unter 0,05 bis 0,23 µeV	unter 3,2 bis 6,8 m/s	unter 0,4 bis 1,8 mK
Sehr kalte Neutronen (VCN)	~10−4 eV	~150 m/s	~1 K
Kalte Neutronen	unter 0,025 eV	unter 2,2 km/s	bis 200 K
Thermische Neutronen	etwa 0,025 eV	etwa 2,2 km/s	etwa 200 K
Epithermische Neutronen	0,025 bis 1 eV	2,2 bis 15 km/s	200 bis 8 000 K
Resonanzneutronen	1 bis 100 eV	15 bis 150 km/s	8 000 bis 800 000 K
Mittelschnelle Neutronen	100 eV bis 500 keV	150 bis 10 000 km/s	800 000 K bis 4 Mrd. K
Schnelle Neutronen	ab 500 keV	ab 10 000 km/s	über 4 Mrd. K

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Neutronenquellen, egal welcher Art, erzeugen schnelle Neutronen mit 2 bis 5 MeV. Durch Moderatoren können diese auf Temperaturen bis zu der des Moderators abgebremst werden. Je nach Stärke der Moderation sind so mittelschnelle bis hin zu thermischen Neutronen erzeugbar. Mit Hilfe tiefgekühlter Moderatoren sind kalte bis sehr kalte Neutronen (VCN) erzeugbar. Noch weiter können Neutronen mit Hilfe von Neutronenzentrifugen gekühlt werden. ⓘ

Monochromatische Neutronen

Für viele Experimente werden monoenergetische Neutronen, also Neutronen einheitlicher Energie, benötigt. Diese erhält man an Reaktoren z. B. durch den Einsatz eines Monochromators. Dies ist ein Einkristall oder Mosaik-Kristall aus beispielsweise Silizium, Germanium, Kupfer oder Graphit; durch Nutzung bestimmter Bragg-Reflexe und Monochromatorwinkel können verschiedene Wellenlängen (Energien) aus der Wellenlängenverteilung ausgewählt werden (siehe auch Neutronensuperspiegel). ⓘ

Monochromatische Neutronen höherer Energien können an Beschleunigern aus geeigneten Kernreaktionen gewonnen werden. ⓘ

Wirkung von Neutronenstrahlen

Wirkungen auf Materie

Die Materialeigenschaften von Metallen und anderen Werkstoffen werden durch Neutronenbestrahlung verschlechtert. Dies begrenzt die Lebensdauer von Komponenten in z. B. Kernreaktoren. In eventuellen Kernfusionsreaktoren mit ihrer höheren Energie der Neutronen träte dieses Problem verstärkt auf. ⓘ

Die Wirkung auf lebendes Gewebe ist ebenfalls schädlich. Sie beruht bei schnellen Neutronen größtenteils auf von diesen angestoßenen Protonen, die einer stark ionisierenden Strahlung entsprechen. Diese Schadwirkung ist gelegentlich als Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebszellen erprobt worden. Thermische Neutronen erzeugen durch Neutroneneinfang in Wasserstoff Gammastrahlung, die ihrerseits ionisiert. ⓘ

Anwendungen

In Kernreaktoren, Kernfusionsreaktoren und Kernwaffen spielen freie (thermische bis schnelle) Neutronen eine entscheidende Rolle. Die wichtigste physikalische Größe ist dabei der orts- und zeitabhängige Neutronenfluss. Er wird rechnerisch-numerisch mit der Theorie der Neutronendiffusion oder auf Grundlage der Boltzmann-Gleichung oder auch der Monte-Carlo-Simulation behandelt. ⓘ