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2026-04-16T05:23:21Z

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'''Neutronenstrahlung''' ist eine [[ionisierende Strahlung|ionisierende]] [[Teilchenstrahlung]], die aus freien [[Neutron]]en (mit u. U. verschiedenen [[Kinetische Energie|kinetischen Energien]]) besteht.

Da Neutronen [[Elektrische Ladung|elektrisch]] neutral sind, haben die Ladungen von [[Atomkern]]en und [[Elektron]]en auf ihre Bewegung keinen Einfluss. Neutronenstrahlung durchdringt Materie deshalb relativ leicht. Umgekehrt bewirkt diese Eigenschaft, dass sie sich schlecht abschirmen lässt.

Der [[Ionisation|ionisierende]] Effekt entsteht indirekt, meist durch Anstoßen leichter Atomkerne bzw. deren Bestandteile (z. B. [[Proton]]en), die dann ihrerseits ionisierend wirken. Durch derartige Stöße geben die Neutronen Energie ab und werden langsamer. Eine Substanz, die besonders geeignet ist, Neutronen zu verlangsamen, nennt man [[Neutronenmoderator]]. In der Kerntechnik wird der Begriff üblicherweise auf jene Isotope begrenzt, welche zusätzlich zu ihrer Eigenschaft als Moderator nur wenige [[Neutroneneinfang|Neutronen absorbieren]]. Je leichter das Atom ist, umso größer ist der Anteil der Energie, der vom Kern bei einem Stoß aufgenommen wird. Durch diese Energieabgabe werden schnelle Neutronen zu thermischen Neutronen.

Die Hauptwirkung von langsamen, vor allem [[Thermische Neutronen|thermischen Neutronen]] beruht auf ihrer Fähigkeit, sich an Atomkerne anzulagern ([[Neutroneneinfang]]). Dabei bildet sich ein [[Isotop]] des einfangenden Atoms mit einer um 1 erhöhten [[Massenzahl]]. Viele dieser so entstandenen Isotope sind [[radioaktiv]], so dass noch sehr lange nach einer Neutronenbestrahlung (je nach [[Halbwertszeit]] des Isotops) durch den Zerfall ionisierende Strahlung auftreten kann. Umgekehrt können radioaktive Isotope durch Einfang eines Neutrons in stabile Isotope umgewandelt werden und langlebige radioaktive Isotope in kurzlebige oder umgekehrt.

Der Einfang eines Neutrons ist üblicherweise ein [[exotherm]]er Prozess. Die dabei frei werdende Energie äußert sich zunächst in der Versetzung des neu gebildeten Kerns in einen angeregten Zustand. Üblicherweise wird diese Energie in Folge durch ein [[Gammastrahlung|Gamma-Quant]] wieder abgegeben. Bei einigen wenigen Kernen (zum Beispiel 235U) ist der angeregte Zustand derartig instabil, dass es zu einer weiteren Kernreaktion kommen ''kann'' (im Falle von 235U bei circa 84 % der Einfänge thermischer Neutronen), bei der noch bedeutend größere Mengen Energie freigesetzt werden können. Im Falle von 235U ist diese Reaktion die [[Kernspaltung]], welche ihrerseits wieder Neutronen freisetzt und damit eine [[Kettenreaktion]] bilden kann.

Der freie Zustand des Neutrons endet nach kürzester Zeit immer mit einem Neutroneneinfang oder einer anderen [[Kernreaktion]]. Nur im [[Hochvakuum]] hat ein freies Neutron eine „Chance“, [[Betastrahlung#Entstehung|seinen radioaktiven Zerfall]] zu „erleben“.
[[Datei:Quark structure neutron.svg|mini|Aufbau eines Neutrons. Es besteht aus einem 1 Up- und 2 Down-[[Quark (Physik)|Quarks]]. Die „Farb“zuordnung der einzelnen Quarks ist beliebig, es müssen jedoch alle drei Farben vorhanden sein. Kräfte zwischen Quarks werden durch [[Gluonen]] vermittelt.]]

== Quellen ==
{{Siehe auch|Neutronenquelle}}

Die [[kosmische Strahlung]] setzt in der Atmosphäre oder am Boden durch Wechselwirkung mit Atomkernen natürliche Neutronenstrahlung frei. Durch natürlichen Zerfall von [[Atomkern]]en entsteht Neutronenstrahlung selten; man stellt sie künstlich mit Hilfe von [[Neutronenquelle]]n her. [[Spontanspaltung]] ist eine seltene Zerfallsart in Uran und Thorium, kommt jedoch in [[Californium]]-252 häufiger vor. Hierbei werden Neutronen freigesetzt, weswegen Californium als „handliche“ Neutronenquelle beliebt ist. Im [[Kernreaktor]] werden bei der [[Kernspaltung]] Neutronen freigesetzt, ebenso bei einigen Formen der [[Kernfusion]].

Die Freisetzung von Neutronen in der Kernfusion ist einerseits ein gerne genutzter Effekt bei Geräten wie dem [[Fusor]], welcher mehr nutzbare Energie verbraucht als er erzeugt aber als kleine Neutronenquelle dient, andererseits ein unerwünschter Nebeneffekt bei Versuchen, die Kernfusion kommerziell zu nutzen. „Aneutronische“ (= keine Neutronen freisetzende) Reaktionswege der Kernfusion existieren zwar, erfordern jedoch zumeist noch höhere Teilchengeschwindigkeiten als solche Fusionsprozesse, die Neutronen freisetzen. Die bei der Fusion frei werdenden Neutronen dienen bei allen Konzepten eines [[Kernfusionsreaktor]]s der Abführung der Nutzwärme und werden bei der Deuterium-Tritium Fusion benötigt, um im [[Blanket]] das für die Fusion benötigte Tritium aus Lithium zu erbrüten.

Beim [[Teller-Ulam-Design]] thermonuklearer Sprengköpfe werden Neutronen, welche aus der Fusion der Bestandteile der zweiten Stufe entstehen, dazu verwendet, 238U zu spalten. 238U kann nur durch hinreichend schnelle Neutronen zuverlässig gespalten werden – Kernspaltung liefert nicht ausreichend Neutronen dieser Geschwindigkeit, Kernfusion kann sie liefern. Dadurch erhöht sich die Sprengleistung nochmals erheblich durch den Einsatz eines billig verfügbaren Materials, der [[radioaktiver Fallout|Fallout]] nimmt jedoch ebenfalls – gegenüber einer „sauberen“ thermonuklearen Bombe mit möglichst hohem Fusionsanteil – erheblich zu.

Historisch bedeutend und noch immer im Labormaßstab angewandt werden sogenannte (α,n)-Quellen. Hierbei treffen [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] auf ein geeignetes Material – heute zumeist [[Beryllium]] – und setzen dabei in einer Kernreaktion ein Neutron frei. [[James Chadwick]] wies die Existenz des Neutrons durch Ergründung der Reaktion 9Be(α,n)12C nach. Chadwick nutzte als Quelle der Alphastrahlung [[Radium]]. Radium wird jedoch heute kaum noch verwendet, da es kaum noch produziert wird, weil die Extraktion aus Uranerz bei einem Gehalt von nur ca. 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran enorm aufwendig ist. Stattdessen werden Alphastrahler aus Kernreaktoren wie Polonium-210 verwendet, welche preiswerter verfügbar sind.

Eine weitere starke Quelle sind [[Kernwaffentechnik#Neutronenwaffe|Neutronenbomben]]. Sie kann mit Hilfe von Neutronenstrahlung Personen im Zielgebiet töten, aber Gebäude und Infrastruktur relativ unbeschädigt lassen.

Für Forschungszwecke werden teilweise auch Neutronenflussdichten benötigt, die durch Kernspaltung kaum erzielbar sind. Der [[Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz|Forschungsreaktor München II]] ist die stärkste kernspaltungsbasierte Neutronenquelle der Welt und mit einer Nennleistung von 20 Megawattthermisch schon weit vom Ideal des [[Nullleistungsreaktor]]s entfernt. Höhere Neutronenflussdichten, wie sie an der [[Europäische Spallationsquelle|European Spallation Source]] in [[Lund]] erzielt werden, werden daher durch [[Spallation]] erzeugt. Dabei werden enorm hochenergetische Protonen mittels [[Teilchenbeschleuniger]] auf ein [[Target (Physik)|Target]] gefeuert, wodurch große Mengen Neutronen frei werden, welche dann der Forschung zur Verfügung stehen. Zwar ist die [[Endotherme Reaktion|endotherme]] Reaktion enorm energieintensiv (~20–50 MeV pro nutzbares Neutron), jedoch sind den erreichbaren Mengen und Flussdichten quasi keine Grenzen gesetzt.

== Nutzung ==
In der Materialforschung werden Neutronenstrahlen eingesetzt, um die atomare oder molekulare Struktur von Festkörpern zu bestimmen ([[Neutronenstreuung]]). Zur Überwachung der Unter[[kritikalität]] eines Kernreaktors kann die Neutronenstrahlung z. B. einer [[Neutronenquelle|Radium-Beryllium-Neutronenquelle]] verwendet werden. Bei der [[Strahlentherapie]] wurde versucht, Krebszellen mit Neutronenstrahlen abzutöten; wegen der Nebenwirkungen im gesunden Gewebe wird dies nur noch selten angewandt.

{{Siehe auch|Forschung mit Neutronen}}

== Nachweis ==
Neutronenstrahlung wird durch die Wechselwirkung der Neutronen mit dem Detektormaterial nachgewiesen. Es gibt [[Neutronendetektor]]en für schnelle und für langsame Neutronen. Schnelle Neutronen werden in vielen Fällen jedoch nachgewiesen, indem sie zunächst auf thermische Energien moderiert werden. Dieses Prinzip findet zum Beispiel Anwendung im [[Bonner-Kugelspektrometer]], bei dem mehrere verschieden große kugelförmige [[Moderator (Physik)|Moderatoren]] verwendet werden, um unterschiedlich schnelle Neutronen zu moderieren und so die Energieverteilung der Neutronen zu bestimmen.<ref>C. Pioch, V. Mares, E. V. Vashenyuk, Y. V. Balabin, [[Werner Rühm]]: ''[https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900210022692 Measurement of cosmic ray neutrons with Bonner sphere spectrometer and neutron monitor at 79° N.]'' Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (2011) 626–627, S. 51–57. [[doi:10.1016/j.nima.2010.10.030]].</ref> Die äußere Exposition von Personen gegenüber Neutronenstrahlung wird mit [[Albedodosimeter]]n bestimmt, die die Moderation und Rückstreuung der Neutronen im menschlichen Körper nutzen.<ref>''[https://awst.mirion.com/leistungen-produkte/ganzkorperdosimetrie/albedo/ Albedo-Dosimeter.]'' Website von Mirion Medical GmbH, München, abgerufen am 5. März 2024.</ref> Neutronenemitter, die in den menschlichen Körper [[Inkorporation (Medizin)|inkorporiert]] worden sind, werden entweder in den Ausscheidungen durch [[Radiochemie|radioanalytisch-chemische Verfahren]] bestimmt oder mit einem [[Ganzkörperzähler]] über die [[Gammastrahlung]], die durch Wechselwirkung der Neutronen im Körper entsteht, gemessen.<ref>Oliver Meisenberg, Werner Buchholz, Klaus Karcher, Patrick Woidy, Udo C. Gerstmann: ''[https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969806X20304680 Measuring the internal activity of the neutron emitter 252Cf in-vivo: Basics and potentials based on measurements in phantoms.]'' Radiation Physics and Chemistry (2020) 176:109087. [[doi:10.1016/j.radphyschem.2020.109087]].</ref>

== Schädliche Wirkung auf Lebewesen ==
Die wichtigste Schadwirkung ''schneller'' Neutronen in lebendem Gewebe ist die elastische Streuung an [[Wasserstoff]]. Sie erzeugt Rückstoß[[proton]]en, die ihrerseits stark ionisierend und damit im Gewebe schädlich wirken. Eine indirekte Schädigung durch ''thermische'' Neutronenstrahlung kommt durch die [[Gammastrahlung]] zustande, die beim [[Neutroneneinfang|Einfang]] des Neutrons an Wasserstoff entsteht: 1H + n → 2H + 2,2 [[Elektronenvolt|MeV]].

Die Schädlichkeit von Neutronenstrahlung wird durch die hohen [[Strahlungswichtungsfaktor]]en <math>\mathrm{w_R}</math> der deutschen Strahlenschutzverordnung mit Werten von 5 bis 20 berücksichtigt.

Schnelle wie auch thermische Neutronenstrahlung kann stabile Atomkerne durch [[Kernreaktion]]en in [[Radioaktivität|radioaktive]] Atomkerne umwandeln – dies ist die sogenannte [[Aktivierung (Radioaktivität)|Aktivierung]].

== Schädliche Wirkung auf strukturelle Werkstoffe ==
Neutronenstrahlung hat im Allgemeinen einen negativen Einfluss auf strukturelle Materialien wie [[Stahl]] (siehe [[Strahlenschaden]]). Neutronen erzeugen durch Streuung an Atomkernen Defekte im Kristallgitter, die meist zur Versprödung des Materials führen. Auch die [[Neutronenaktivierung|Aktivierung]] und die damit verbundene Umwandlung von Legierungsbestandteilen können sich (meist negativ) auf die Materialeigenschaften auswirken. Diese Prozesse treten besonders an Orten mit sehr hoher [[Fluenz|Neutronenfluenz]] auf wie etwa [[Reaktordruckbehälter]]n, deren Einbauten und den [[Brennstab]]hüllen. In [[Fusionsreaktor]]en treten ähnlich große Neutronenfluenzen auf, wobei hier auch noch die Energie der Neutronen besonders hoch ist. Daher ist die Werkstoffentwicklung für künftige Fusionskraftwerke eine große Herausforderung.<ref>name=ITER {{Internetquelle |url=http://cern.ch/lhc-collimation-project/ph2_meeting_files/ICFRM%20Barabash-ITER%20materials.pdf |titel=Materials Challenges for ITER |autor=the ITER International Team |zugriff=2016-08-18 |format=PDF}}</ref>

== Abschirmung ==
Eine [[Abschirmung (Strahlung)|Abschirmung]] gegen Neutronenstrahlung nutzt meist eine Kombination physikalischer Effekte und ist aus mehreren Materialien in Schichten aufgebaut. Ein [[Moderator (Physik)|Moderator]], zum Beispiel Wasser, [[Paraffin]], Graphit oder Kunststoff, bremst schnelle freie Neutronen ab. Thermische Neutronen werden beispielsweise von [[Cadmium]] oder [[Bor]] absorbiert. Die begleitende [[Gammastrahlung]] wird insbesondere durch entsprechend starke [[Beton]]-, [[Stahl]]- und [[Blei]]schichten reduziert.

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* {{DNB-Portal|4221352-6}}
* Das [http://www.fz-juelich.de/gs/DE/UeberUns/Organisation/S-G/Genehmigungen/Glossar/glossar_node.html „Glossar Strahlenschutz“] des [[Forschungszentrum Jülich|Forschungszentrums Jülich]] erläutert viele Begriffe rund um ionisierende Strahlen (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung, Regelwerke, Strahlenschutz etc.)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4221352-6}}

[[Kategorie:Ionisierende Strahlung]]
[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Kernphysik]]

Neutronenstrahlung - Versionsgeschichte

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