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2025-12-17T15:29:08Z

HC: Ergänze Kategorie:Physikalisches Fachgebiet

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Die '''Neutronenstreuung''', ein Hauptgebiet der [[Forschung mit Neutronen]], untersucht [[kondensierte Materie]] durch Beobachten der [[Streuung (Physik)|Streuung]] von [[Neutron #Klassifizierung|langsamen]] oder [[thermisches Neutron|thermischen]] [[Neutron]]en an einem [[Prüfkörper|Probekörper]] (engl.: [[Target (Physik)|Target]]).

Langsame und thermische Neutronen wechselwirken mit [[Atomkern]]en und mit den [[magnetisches Moment|magnetischen Momenten]] von [[Elektron]]en und eignen sich daher zur Untersuchung der Struktur, der [[Bewegung (Physik)|Dynamik]] sowie der [[Magnetische Ordnung|magnetischen Ordnung]] kondensierter Materie auf [[atom]]arem Maßstab.

== Einteilung und Methoden ==
=== Elastische Streuung ===
Bei der [[Elastischer Stoß|elastischen]] Streuung ist die Wechselwirkung ''nicht'' mit einer Energieübertragung verbunden. Da die [[De-Broglie-Wellenlänge]] thermischer Neutronen in der Größenordnung eines [[Atomdurchmesser]]s liegt, treten bei der elastischen Streuung von Neutronen an kondensierter Materie [[Interferenz (Physik)|Interferenzeffekte]] auf, die für [[Strukturanalyse|Strukturuntersuchungen]] genutzt werden können. Diese Untersuchungsmethode wird häufig auch als '''Neutronenbeugung''' (oder '''-diffraktometrie''') bezeichnet.

Methoden:
* Neutronenbeugung
* [[Diffraktometrie unter streifendem Einfall|Beugung unter streifendem Einfall]] (GIND)
* [[Kleinwinkelstreuung]] (SANS)
* [[Kleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall]] (GISANS)
* [[Neutronenreflektometrie]].

=== Inelastische Streuung ===
Die [[Stoß (Physik) #Unelastischer Stoß|inelastische]] Streuung ist verbunden mit der [[Angeregter Zustand|An-]] oder [[Abregung]] (Energieübertragung) eines [[Phonon]]s, eines [[Magnon]]s oder eines anderen internen Freiheitsgrades des Targets. Durch Messung der Änderung der [[kinetische Energie|kinetischen Energie]] des Neutrons lässt sich die [[Anregungsenergie|Energie der Anregung]] ermitteln.

Methoden der [[Inelastische Neutronenstreuung|inelastischen Neutronenstreuung]] (-[[spektroskopie]]):
* [[Neutronen-Dreiachs-Spektrometer]] (TAS)
* [[Neutronen-Flugzeit-Spektrometer]] (ToF)
* [[Neutronen-Rückstreu-Spektrometer]]
* [[Neutronen-Spin-Echo-Spektrometer]] (NSE)
* [[Neutronen-Resonanz-Spin-Echo-Spektrometer]] (NRSE).

=== Quasielastische Streuung ===
Die quasielastische Streuung wird zur Untersuchung von [[Diffusion]]smechanismen auf atomarer Ebene verwendet.

== Anwendungen ==
Da Neutronen ''keine'' [[elektrische Ladung]] besitzen, [[Eindringtiefe|dringen sie recht tief in Materie ein]]: die [[freie Weglänge]] thermischer Neutronen in kondensierter Materie ist von der Größenordnung Millimeter (der genaue Wert hängt von der [[Dichte]] und der Zusammensetzung der Probe ab). Deshalb ist Neutronenstreuung geeignet, ''Volumeneigenschaften'' von Materie zu untersuchen – im Gegensatz etwa zur [[Elektronenbeugung]], die auf oberflächennahe Bereiche beschränkt ist.

Wie alle [[Teilchen]] haben Neutronen [[Welle-Teilchen-Dualismus|nicht nur Teilchen-, sondern auch Welleneigenschaften]]. Die [[De-Broglie-Wellenlänge|Wellenlänge]] langsamer Neutronen beträgt ungefähr 0,1 bis 1 [[Nanometer|nm]] und ist somit von der gleichen Größenordnung wie [[Atomabstand|Atomabstände]] in [[Molekül]]en und [[Festkörper]]n. Ähnlich wie bei der Beugung von Licht an einem [[Optisches Gitter|Gitter]] kommt es auch bei der Streuung von Neutronen an einer regelmäßig aufgebauten Probe zu [[Wellenmechanik|wellenmechanisch]]en Interferenzen; die [[Wirkungsquerschnitt|Winkelverteilung]] der gestreuten Neutronen besitzt die Regelmäßigkeit eines Beugungsbildes, aus dem auf die atomare Struktur der untersuchten Probe zurückgeschlossen werden kann.

=== Vorteile gegenüber Röntgenbeugung ===
Die bis hierhin genannten Eigenschaften – elektrische Neutralität und Wellenlänge im nm-Bereich – haben Neutronen mit der [[Röntgenstrahlung]] gemeinsam. Für Strukturuntersuchungen setzt man daher in erster Linie die grundsätzlich ähnliche, praktisch aber einfachere und billigere [[Röntgenbeugung]] ein. Neutronenstreuung ist jedoch von Vorteil, wenn man die folgenden weiteren Eigenschaften des Neutrons ausnutzen kann:
* Der [[Streuquerschnitt]] von Neutronen hängt von Eigenschaften der streuenden [[Atomkern]]e ab ([[Kernspin]]) und variiert deshalb von [[Nuklid]] zu Nuklid und sogar von [[Isotop]] zu Isotop. Daher können durch Neutronenstreuung [[Chemisches Element|Elemente]] gut unterschieden werden, die im [[Periodensystem der Elemente]] benachbart sind, z. B. [[Natrium|Na]], [[Magnesium|Mg]] und [[Aluminium|Al]].<ref name="Hippert">{{bibISBN|9781402033377|Seite=247}}</ref> Durch Isotopenaustausch kann die Aussagekraft von Neutronenstreuexperimenten gezielt gesteigert werden.<br />Röntgenstreuung dagegen liefert hier schlechtere Ergebnisse ohne [[Kontrast]], da bei ihr die [[Elektronenhülle]] vermessen wird, welche sich bei den genannten Fällen nur wenig unterscheidet. Der Streuquerschnitt steigt bei Röntgenbeugung mit der [[Ordnungszahl]] an, weswegen z. B. [[Wasserstoff]] für Röntgenbeugung beinahe unsichtbar ist. Daher wird Neutronenstreuung insbesondere bei der Untersuchung biologischer Proben ''komplementär'' (ergänzend) zur Röntgenbeugung eingesetzt, um die Position von [[Wasserstoffatom]]en zu bestimmen.
* Neutronen besitzen ein [[magnetisches Moment]] und werden daher an magnetischen Gittern gestreut. Neutronenstreuung ist daher eine wichtige Methode zur Untersuchung magnetischer Strukturen.
* Die Energie langsamer Neutronen beträgt wenige [[Elektronenvolt|meV]] und ist daher von gleicher Größenordnung wie die Anregungsenergie von [[Phonon]]en und [[Magnon]]en. Inelastische Neutronenstreuung ist daher die Standardmethode zur Vermessung der [[Phonon #Dispersion|Dispersion von Phononen]] und Magnonen.

== Forschungseinrichtungen ==
{{Hauptartikel|Forschung mit Neutronen#Forschungseinrichtungen}}
Neutronenstreuung wird an [[Forschungsreaktor]]en und [[Spallation]]s[[neutronenquelle]]n betrieben.

== Geschichte ==
Die Neutronenstreuung wurde in den 1950er Jahren als physikalische Untersuchungsmethode etabliert. Für ihre Pionierleistungen erhielten [[Clifford Shull]] und [[Bertram Brockhouse]] [[1994]] den [[Physiknobelpreis]]. Sie reihen sich damit in die Reihe der Nobelpreisträger mit der längsten Lücke zwischen Entdeckung (1946) und Verleihung des Nobelpreises (1994) ein.

Unter [[Heinz Maier-Leibnitz]] wurde am kleinen [[Forschungsreaktor München]] in [[Garching bei München]] der [[Neutronenleiter]] erfunden. Maier-Leibnitz leitete auch den Bau des Hochflussreaktors in Grenoble.

Spätestens seit den 1990er Jahren wurden weltweit viele kleine Forschungsreaktoren stillgelegt; die Neutronenstreuung konzentriert sich auf einige wenige große Institute.

== Siehe auch ==
* [[Debye-Waller-Faktor]]
* [[Diffraktogramm]]
* [[Neutronenreflektometrie]]

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Clifford G. Shull |Titel=Early development of neutron scattering |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=67 |Nummer=4 |Datum=1995-10 |Seiten=753–757 |DOI=10.1103/RevModPhys.67.753}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Magnetismus]]
[[Kategorie:Neutronenbeugung]]
[[Kategorie:Neutronenstreuung| ]]
[[Kategorie:Nukleare Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Physikalisches Fachgebiet]]

Neutronenstreuung - Versionsgeschichte

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