Forschung mit Neutronen

Die Forschung mit Neutronen, auch bekannt als Neutronenphysik^[1], ist ein Arbeitsgebiet der Physik, in dem Neutronenstrahlung aus einer radioaktiven Quelle, einem Forschungsreaktor oder einer Spallationsneutronenquelle eingesetzt wird, um z. B. Materialproben zu untersuchen.^[2][3][4][5]

Die Geschichte der Neutronen reicht bis zur Entdeckung durch James Chadwick im Jahr 1932 zurück.^[6] Die Curies bestimmten bereits 1934 die Masse des Neutrons.^[7] Neutronen spielten in der Radiochemie ab diesem Zeitpunkt eine beitragende Rolle zur weiteren Erforschung der Atomkerne und Kernreaktionen (vgl. z. B. der Neutroneneinfang).^[8][9]

Erst ab 1942 (vgl. Chicago Pile) standen Kernreaktoren (zunächst Graphitmoderierte und bald auch Schwerwassermoderierte Kernreaktoren) mit einem kontinuierlichen Neutronenfluss zu Forschungszwecken zur Verfügung. Die ersten Forschungsreaktoren waren zugleich Materialtestreaktoren (MTR). Diese Geräte bzw. Instrumente der Kernphysik bzw. Kerntechnik haben die typischen Neutronenquellen im Labor ersetzt oder ergänzt, die zur Erforschung der Radioaktivität genutzt wurden. Zu diesen Quellen, die auf neutronenfreisetzende Kernreaktionen basieren, zählen Americium-Beryllium oder eine Californiumquelle uvm.

In Forschungseinrichtungen dienen Forschungsreaktoren als Neutronenquelle, sowie Teilchenbeschleuniger, die mittels Spallation-Targets Neutronen zu Forschungszwecken bereitstellen.

Die Forschung mit Neutronen umfasst insbesondere:

• Die Neutronenstreuung mit ihren zwei Untergebieten:
  • Neutronenbeugung für Strukturuntersuchungen
  • inelastische Neutronenstreuung als Spektroskopie
• Bildgebende Verfahren:
  • Radiographie
  • Tomographie
• Die Aktivierungsanalyse^[10]
  • Prompte Gamma-Aktivierungsanalyse
• Der Neutronentransport als eigenständige Fachdisziplin im Rahmen der Reaktorphysik
• Neutronen als Teil des Kernspaltungsprozess, d. h. (prompte/thermische) Neutronen
• Neutronenforschung als Teil der Kerntechnik, z. B. Moderator, Neutronenreflektor uvm.
• Neutronengeneratoren als Technologie und Geräte

Bedeutende Forschungszentren für Neutronenstreuung sind:

• Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble (gegründet 1967, Reaktorbetrieb seit 1972)
• Laboratoire Léon Brillouin im Centre d’Etudes nucléaires de Saclay bei Paris
• Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in Garching (Reaktorbetrieb seit 2004)
• Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen AG in der Schweiz (Spallationsquelle SINQ)
• Rutherford Appleton Laboratory (RAL) bei Oxford (Spallationsquelle ISIS)
• Budapest Neutron Center am Atomic Energy Research Institute in Budapest in Ungarn
• Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Berlin (Reaktor BER II, bis 2019)
• Forschungsreaktor Geesthacht am GKSS-Forschungszentrum (bis 2010)
• Forschungsreaktor Jülich II im Forschungszentrum Jülich bei Jülich (bis Mai 2006)

• National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg MD bei Washington DC
• High Flux Isotope Reactor (HFIR) und die Spallation Neutron Source (SNS) am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) nahe Knoxville, Tennessee
• High Flux Beam Reactor und der Brookhaven Graphite Research Reactor am Brookhaven National Laboratory (BNL), historisch bedeutend, inzwischen beide stillgelegt
• Intense Pulsed Neutron Source am Argonne National Laboratory (ANL) in Argonne, Illinois (Spallationsquelle, Betrieb seit 1981)
• Lujan Neutron Scattering Center am Los Alamos National Laboratory (LANL) in Los Alamos, New Mexico (Spallationsquelle)
• Chalk River Laboratories (CRL), historisch bedeutend (vgl. auch Bertram Brockhouse)

• Die Australian Nuclear Science and Technology Organisation betrieb den historischen Reaktor HIFAR und brachte 2007 eine der modernsten Neutronenstreueinrichtungen Open Pool Australian Lightwater Reactor (OPAL) in Betrieb

• der gepulste Reaktor IBR-2 am Frank Laboratory of Neutron Physics, Vereinigtes Institut für Kernforschung in Dubna bei Moskau (Reaktorbetrieb seit 1984)^[11]
• der WWR-M-Reaktor am Petersburg Nuclear Physics Institute in Gatchina bei St. Petersburg (Reaktorbetrieb seit 1959, immer wieder erneuert)^[12]

In Deutschland existiert ein ständiges Komitee Forschung mit Neutronen, um die Forschung überregional zu koordinieren und zu fördern.

• Hochenergiephysik (HEP)
• National Nuclear Data Center (NNDC)
• Strahlungsquelle

• W. Gläser: Einführung in die Neutronenphysik. In: Edgar Lüscher (Hrsg.): Kernenergie und Kerntechnik. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 1982, ISBN 3-528-08500-2, S. 40–67, doi:10.1007/978-3-322-84068-4_3. 
• Das 1990 gegründete Fachjournal Neutron News ISSN 1931-7352

1. ↑ Jeffrey S. Nico, W. Michael Snow: FUNDAMENTAL NEUTRON PHYSICS. In: Annual Review of Nuclear and Particle Science. Band 55, Nr. 1, 1. Dezember 2005, ISSN 0163-8998, S. 27–69, doi:10.1146/annurev.nucl.55.090704.151611 (englisch, annualreviews.org [abgerufen am 30. Dezember 2025]). 
2. ↑ Forschungszentrum Jülich - Forschung mit Neutronen. Abgerufen am 6. Juni 2019. 
3. ↑ Urknall, Weltall und das Leben: Forschung mit Neutronen • Spallationsneutronenquelle ESS • Live im Hörsaal | Andreas Schreyer. 22. März 2019, abgerufen am 6. Juni 2019. 
4. ↑ Broschüren - Broschüren & Filme - Aktuelles & Presse - MLZ - Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. Abgerufen am 6. Juni 2019. 
5. ↑ Nadia Fomin, Jason Fry, Robert W. Pattie, Geoffrey L. Greene: Fundamental Neutron Physics at Spallation Sources. In: Annual Review of Nuclear and Particle Science. Band 72, Nr. 1, 26. September 2022, ISSN 0163-8998, S. 151–176, doi:10.1146/annurev-nucl-121521-051029 (englisch, annualreviews.org [abgerufen am 30. Dezember 2025]). 
6. ↑ J. Chadwick: The existence of a neutron. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. Band 136, Nr. 830, Juni 1932, ISSN 0950-1207, S. 692–708, doi:10.1098/rspa.1932.0112 (englisch, royalsocietypublishing.org [abgerufen am 23. Dezember 2025]). 
7. ↑ I. Curie, F. Joliot: Mass of the Neutron. In: Nature. Band 133, Nr. 3367, 12. Mai 1934, ISSN 0028-0836, S. 721–721, doi:10.1038/133721a0 (englisch, nature.com [abgerufen am 30. Dezember 2025]). 
8. ↑ Istvan Hargittai: Discovery of slow neutrons 90 years ago – A tribute to Enrico Fermi. In: Structural Chemistry. Band 35, Nr. 5, Oktober 2024, ISSN 1040-0400, S. 1349–1354, doi:10.1007/s11224-024-02283-8 (englisch, springer.com [abgerufen am 30. Dezember 2025]). 
9. ↑ Prof. E. Fermi: Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92. In: Nature. Band 133, Nr. 3372, 16. Juni 1934, ISSN 0028-0836, S. 898–899, doi:10.1038/133898a0 (englisch, nature.com [abgerufen am 30. Dezember 2025]). 
10. ↑ Werner H. Wahl, Henry H. Kramer: Neutron - Activation Analysis. In: Scientific American. Band 216, Nr. 4, 1967, ISSN 0036-8733, S. 68–83, JSTOR:24931470 (englisch). 
11. ↑ IBR-2. In: Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute for Nuclear Research. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 10. November 2016; abgerufen am 6. Juni 2019 (englisch). 
12. ↑ PNPI - Europe - Neutron Centres - Neutronsources. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 6. Juni 2019; abgerufen am 6. Juni 2019.