Neutronenstreuung

Neutronenstreuung ist ein Verfahren der Festkörper- und Materialforschung, bei dem Neutronen auf eine Probe treffen und ihre Streurichtung oder -energie ändern. Aufgrund der Wellencharakteristik der Neutronen liegen die Wellenlängen typischerweise im Bereich von 1 bis 4 Å, wodurch sie Abstände auf der Größenskala eines Kristallgitters sowie dynamische Eigenschaften von Materie untersuchen können. Neutronen interagieren mit Materie überwiegend über die Kernkräfte und, da Neutronen einen magnetischen Moment besitzen, auch über magnetische Wechselwirkungen. Diese Eigenschaften ermöglichen Untersuchungen unabhängig vom Elementenar, mit besonderem Augenmerk auf Leichtelemente wie Wasserstoff und auf magnetische Strukturen.

Man unterscheidet elastische und inelastische Streuung. Bei elastischer Streuung bleibt die Energie der gestreuten Neutronen nahezu konstant; diese Form der Streuung liefert Informationen über statische Strukturen wie Kristallordnungen, Raumgruppen und Gitterabstände. Inelastische Streuung geht mit einem Energie- und Impulsaustausch mit Atomschwingungen (Phononen) oder magnetischen Anregungen einher und ermöglicht die Bestimmung von Dynamiken in Materialien.

Eine weitere Unterscheidung betrifft kohärente und inkohärente Streuung. Kohärente Streuung liefert Strukturinformationen über den Aufbau des Materials und dessen langreichweitige Ordnung; inkohärente Streuung trägt zur Hintergrund und zu Einzelteilchen-Eigenschaften, zum Beispiel isotopische Unterschiede, bei. In der Praxis werden Techniken wie Kristallstrukturanalyse, Small-Angle Neutron Scattering (SANS), Inelastic Neutron Scattering (INS) und Neutronenreflektometrie eingesetzt, oft in Kombination mit Spektrometern, Diffraktometern und Zeitflugmessungen.

Neutronenstreuung findet an spezialisierten Einrichtungen statt, etwa Kernreaktoren oder Spallationsquellen, und wird mit Detektoren gemessen, oft nach dem Zeitflugprinzip oder mit sekundärionen. Typische Anwendungen umfassen die Bestimmung von Kristallstrukturen, die Charakterisierung von Materialeigenschaften, die Untersuchung von Proteinen und Biomolekülen in Lösung sowie die Analyse magnetischer Phasen in Feststoffen.