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2025-02-18T13:09:54Z

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Als '''Thermische Neutronen''' werden – nicht ganz einheitlich – [[Freies Teilchen|freie]] [[Neutron]]en bezeichnet, deren [[kinetische Energie]] weniger als beispielsweise 100 meV (Milli-[[Elektronenvolt]]) beträgt. In der [[Neutron #Klassifizierung|Klassifizierung der Neutronen]] liegen sie zwischen den ''kalten'' und den ''epithermischen'' Neutronen.

Die Bezeichnung als thermische Neutronen leitet sich aus ihrer Entstehung ab. Thermische Neutronen entstehen aus Neutronen höherer kinetischer Energie, indem diese mehrfach mit Atomkernen eines Streumediums [[Streuung (Physik)|elastisch zusammenstoßen]]. Man spricht auch von einer ''Thermalisierung''. Ihre Energieverteilung nähert sich dadurch der für die Temperatur des Streumediums charakteristischen [[Maxwell-Boltzmann-Verteilung]] an, so dass der Anteil langsamer Neutronen steigt. In vielen Fällen, z. B. in [[Kernreaktor]]en oder [[Abschirmung (Strahlung)|Abschirmungen]], wird diese Abbremsung gezielt mittels eines [[Moderator (Physik)|Moderator]]-Mediums herbeigeführt. Aber auch in anderen materiellen Umgebungen mit freien Neutronen zeigt deren Energiespektrum fast immer einen größeren oder kleineren Anteil thermischer Neutronen.

Die mittlere kinetische Energie ist über das [[Äquipartitionstheorem]] mit der Temperatur eines Systems verknüpft. Es gilt für Neutronen <math>\langle E \rangle = \tfrac 32 k_\mathrm B T</math> mit der [[Boltzmann-Konstante]]n <math>k_\mathrm B</math> und der [[absolute Temperatur|absoluten Temperatur]] <math>T</math>. Obwohl die Größe „Temperatur“ nur für Vielteilchensysteme definiert ist, wird im Fachjargon davon gesprochen, dass die einzelnen Neutronen bei einer bestimmten mittleren Energie <math>\langle E\rangle</math> eine Temperatur besitzen. Meist wird die Temperatur einfach direkt in dieser Form als Energie angegeben.

Die erwähnte „Obergrenze“ von 100 m[[Elektronenvolt|eV]] entspricht somit (ohne den Faktor 3/2) der Temperatur 1160 [[Kelvin|K]] (887 [[Grad Celsius|°C]]).

Bei [[Raumtemperatur]] wird als nominelle Energie gewöhnlich <math>E = k_\mathrm B T\approx 0{,}025 \, \mathrm{eV}</math> veranschlagt; genauer beträgt die mittlere kinetische Energie
:<math>\langle E_{\rm kin}\rangle = \frac{3}{2} k_\mathrm BT \approx 0{,}039 \, \mathrm{eV}</math>

== Kerntechnische Relevanz ==
In grober Vereinfachung kann gesagt werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron mit einem Atomkern interagiert ''steigt'', wenn seine Geschwindigkeit ''sinkt'' (allerdings sind die realen Graphen der [[Wirkungsquerschnitt]]e in Abhängigkeit von der Neutronengeschwindigkeit deutlich „zackiger“ als diese Vereinfachung – siehe zum Beispiel die ''JANIS-Datenbank'' der [[Nuclear Energy Agency|NEA]] für entsprechende Werte<ref>{{Internetquelle |url=https://www.oecd-nea.org/jcms/pl_44624/janis-books |titel=JANIS Books |hrsg=NEA |sprache=en |abruf=2025-02-18}}</ref>). Schon bei den Versuchen mit Neutronen zwischen deren Entdeckung durch [[James Chadwick]] 1932 und der – aus diesen Versuchen letztlich resultierenden – [[Entdeckung der Kernspaltung]] 1938/39 war bekannt, dass die Wirkung der Neutronen zunahm, wenn sich zwischen [[Neutronenquelle]] und [[Target (Physik)|Target]] zum Beispiel ein [[Paraffin]]block befand.

In den meisten Fällen kann ein Neutron von einem Kern nur „abprallen“ oder von ihm [[Neutroneneinfang|eingefangen]] werden. Bei einigen [[Actinoide|Actinoid]]-[[Isotop]]en kann es jedoch auch zur [[Kernspaltung]] kommen, wenn ein Neutron auf den Kern trifft. Dies trifft insbesondere auf [[Uran]]- und [[Plutonium]]isotope ungerader Massenzahl zu. Das Einzige dieser Isotope, welches in nennenswertem Umfang in der Natur vorkommt, ist 235U. Andere spaltbare Isotope wie 233U oder 239Pu können durch Neutroneneinfang und anschließende [[Betazerfall|Beta-Zerfälle]] „erbrütet“ werden.

Werden die Neutronen also hinreichend abgebremst, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es zur Kernspaltung kommt. Allerdings steigt gleichzeitig ''auch'' die Wahrscheinlichkeit, dass es zum – zumeist ungewollten – Neutroneneinfang ''ohne'' Kernspaltung kommt. Darüber hinaus werden auch einige Neutronen im Moderator eingefangen. Da natürliches Uran auf Erden in geologisch rezenter Zeit nur ~0,72 % 235U enthält, ist mit normalen Wasser keine sich selbst aufrecht erhaltende Kettenreaktion möglich; [[Kritikalität]] wird nicht erreicht. Dies liegt daran, dass zu viele Neutronen von 238U und dem [[Wasserstoff#Isotope|Protium]] im Wasser abgefangen werden, bevor sie auf einen 235U-Kern treffen können. Anders sieht es bei Graphit, Beryllium oder [[schweres Wasser|schwerem Wasser]] aus – da diese Moderatoren weniger Neutronen einfangen, stehen mehr von ihnen für die Kernspaltung zur Verfügung und ein [[Natururanreaktor]] ist möglich. Ändert man durch [[Urananreicherung]] den Gehalt an 235U, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron auf 235U trifft, bevor es von anderen Kernen eingefangen wurde.

Den völlig gegenteiligen Ansatz verfolgen Reaktoren mit [[schnelles Neutron|schnellem Neutronenspektrum]]. Durch völligen Ausschluss moderierender Materialien wie Wasser (gängige Kühlmittel sind stattdessen zum Beispiel [[NaK]] oder [[Blei-Bismut]]), werden die Neutronen so wenig wie irgend möglich abgebremst. Zwar sinkt dadurch die insgesamte Wahrscheinlichkeit, der Interaktion der Neutronen mit den Atomkernen, aber die ''relative'' Wahrscheinlichkeit, dass ''wenn'' eine Interaktion zwischen Actinoid-Kern und Neutron stattfindet, diese die Kernspaltung ist, steigt. Um hierbei Kritikalität zu erlangen, sind allerdings Brennstoffe mit höheren Gehalten an z. B. 235U oder 239Pu notwendig als bei Verwendung thermischer Neutronen.

== Verwendung ==
Thermische Neutronen spielen eine wichtige Rolle in den meisten Kernreaktoren. Allerdings liegt dort (zumindest in [[Leistungsreaktor]]en) wegen der Arbeitstemperatur ihre Energie merklich über den oben genannten 0,025 eV.

Weiterhin werden sie bei der [[Neutronenstreuung]] als ein wichtiges Werkzeug der [[Strukturaufklärung|Strukturforschung]] an Materialien verwendet.

Auch zur Abschirmung von [[Neutronenstrahlung]], d. h. zur Verringerung der [[Intensität (Physik)|Strahlenintensität]], werden die Neutronen zunächst durch einen Moderator thermalisiert, um dann von einem Material mit großem [[Absorption (Physik)|Absorptions]]-[[Wirkungsquerschnitt]] für thermische Neutronen, beispielsweise [[Bor]] oder [[Cadmium]], absorbiert zu werden.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Neutron|Reaktorphysik|Kerntechnik}}

* {{Literatur |Autor=[[Robert E. Marshak]] |Titel=Theory of the Slowing Down of Neutrons by Elastic Collision with Atomic Nuclei |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=19 |Nummer=3 |Datum=1947-07-01 |Sprache=en |DOI=10.1103/RevModPhys.19.185 |Seiten=185–238}}
* {{Literatur |Autor=M. M. R. Williams |Titel=The Slowing Down and Thermalization of Neutrons |Verlag=North-Holland Publishing Company |Ort=Amsterdam |Datum=1966 |Sprache=en |Online=https://archive.org/details/slowingdowntherm0000mmrw}}
* {{Literatur |Autor=Robert E. MacFarlane |Titel=Neutron Slowing Down and Thermalization |Hrsg=Dan Gabriel Cacuci |Sammelwerk=Handbook of Nuclear Engineering |Verlag=Springer US |Ort=Boston, MA |Datum=2010 |Sprache=en |ISBN=978-0-387-98130-7 |DOI=10.1007/978-0-387-98149-9_3 |Seiten=189–277}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernphysik]]

Thermisches Neutron - Versionsgeschichte

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