Streuexperimente

Um die Eigenschaften von Stoffen besser verstehen zu können, werden die Anordnungen und Bewegungen der Atome untersucht, aus denen diese Stoffe zusammengesetzt sind. Dazu dienen der Wissenschaft neben Röntgen- und Elektronenstrahlen auch Neutronenstrahlen, die eine besondere Art von Materiewellen darstellen, und als neutrale Sonden sehr leicht in das Innere der Materie eindringen können. Wenn Neutronen auf Atome treffen, werden sie von diesen gestreut - sie "prallen" auf charakteristische Weise ab. Die Richtungsverteilung der Streuung gibt Auskunft über die Anordnung der Atome und deren Verhalten in den verschiedenen Materialien. Neutronenstrahlen bieten gegenüber Elektronen- und Röntgenstrahlen drei entscheidende Vorteile:

(i) Neutronen durchdringen massive Materialschichten von mehreren cm Dicke,
(ii) sie spüren leichte Elemente (wie z. B. Wasserstoff) in schweren Metallen auf und
(iii) sie reagieren unterschiedlich mit verschiedenen Isotopen (das sind Kerne des selben Elements mit verschiedener Neutronenzahl) und ermöglichen damit die Methode der Kontrastvariation.

Die Anfang der Fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts durchgeführten Pionierexperimente der Physiknobelpreisträger von 1994 helfen die Fragen zu beantworten, "wo Atome sind" (C.G. Shull) and "was sie tun" (B.N. Brockhouse). Heutige Experimente sind zwar viel komplizierter, beruhen aber auf den gleich Prinzipien, die Shull und Brockhouse eingeführt haben.

In einem typischen Streuexperiment werden Neutronen, die aus dem Reaktorkern kommen, durch ein Strahlrohr auf einen "Monochromator" geleitet. Der Monochromator spiegelt Neutronen einer bestimmten Geschwindigkeit unter einem festgelegten Ablenkwinkel auf die zu untersuchende Probe, an der sie gestreut werden sollen. Hinter dem Monochromator treten nur noch Neutronen einer festen Geschwindigkeit auf, die einer festen Energie oder Wellenlänge entsprechen. Mit diesen wird die Probe untersucht. In Analogie zur Optik werden Neutronen einer festen Wellenlänge als einfarbig (monochromatisch) bezeichnet.

Die Richtungs- und Intensitätsverteilung der gestreuten Neutronen wird hinter der Probe mit Neutronendetektoren gemessen. Aus den gemessenen Intensitätsverteilungen (Streukurven) kann z. B. die Anordnung der Atome in der untersuchten Probe bestimmt werden. Ein typisches Streuexperiment ist in der Abbildung (oben) dargestellt.

Eiskristalldiffraktometer