Heutigen Physikstudenten dürften die Namen von Clifford Glenwood Shull, geboren 1915 in Pittsburgh (Pennsylvania), und Bertram Neville Brockhouse, geboren 1918 in Lethbridge (Alberta, Kanada), kaum geläufig sein, denn sie sind schwerlich in den Standardlehrbüchern und -nachschlagewerken zu finden. Gleichwohl haben diese beiden Physiker mit den experimentellen Methoden und Gerätetechniken, die sie bereits in den vierziger beziehungsweise fünfziger Jahren entwickelten, viele naturwissenschaftliche Teilgebiete nachhaltig beeinflußt: Die Festkörperphysik, die physikalische Chemie, die Polymer- und Kolloidphysik sowie die Strukturbiologie und die Materialwissenschaften kommen ohne die Methoden der Neutronenbeugung und -spektrometrie für die Untersuchung von Materie schon seit langem nicht mehr aus.


Erforschung der Neutronenbeugung

Die Eigenschaften von Materialien hängen wesentlich von ihrer Struktur und dem Verhalten ihrer Bausteine ab. Die Auflösung von Mikroskopen reicht in der Regel nicht aus, um den für technische Anwendungen so wichtigen atomaren Aufbau von Werkstoffen zu bestimmen. (Eine Ausnahme bilden zum Beispiel das Raster-Tunnelmikroskop und die daraus abgeleiteten Varianten, die Oberflächen mit subatomarer Auflösung abzutasten vermögen.) Um unbekannte Strukturen zu erforschen, verwenden die Physiker und Materialwissenschaftler darum Beugungsmuster von Wellen, die mit den Atomen in Wechselwirkung treten und deren Wellenlänge mit dem interatomaren Abstand vergleichbar ist. Dazu eignen sich nicht nur elektromagnetische Wellen in Form von Röntgenstrahlen, sondern auch Teilchen wie Elektronen und Neutronen bestimmter Energie, denen ebenfalls Welleneigenschaften zuzuschreiben sind.

Zwischen diesen drei Untersuchungsverfahren gibt es allerdings Unterschiede. Röntgenstrahlen werden hauptsächlich von den Elektronen in den Hüllen der Atome gestreut; das entsprechende Beugungsmuster enthält damit zwar Informationen über die Verteilung der negativen Ladungen, nicht aber über die Positionen der Kerne. Elektronen als Sondenteilchen hingegen wechselwirken aufgrund ihrer negativen Ladung stark mit dem Coulomb-Feld zwischen Atomkern und -hülle und dringen deshalb nur eine kurze Strecke in den Festkörper ein, was ihre Anwendung auf die Analyse von Oberflächen beschränkt. Neutronen wiederum können, weil sie elektrisch ungeladen sind, ungehindert tief in eine Substanz eindringen; sie werden zudem direkt an den Atomkernen gestreut, so daß ihr Beugungsmuster die Lage der Kerne widerspiegelt. Insbesondere leichte Atomkerne wie die von Wasserstoff und Deuterium lassen sich auf diese Weise lokalisieren, was mit der Röntgenstrukturanalyse oder anderen Verfahren praktisch nicht möglich ist.

Die Verwendung von Neutronen ist freilich sehr aufwendig. In freiem Zustand kommen sie in der Natur nur als Bestandteil der kosmischen Höhenstrahlung vor. Für physikalische Experimente müssen Neutronen – je nach Bedarf an Energie und Strahlungsfluß – mit radioaktiven Quellen, Kernreaktoren oder Beschleunigern unmittelbar erzeugt werden; dies ist nicht nur erforderlich, weil sie in freiem Zustand instabil sind, sondern auch, weil sie sich in keiner Apparatur einschließen lassen.

Den experimentellen Nachweis, daß Neutronen gebeugt werden (und damit Wellencharakter haben), erbrachten Hans von Halban und Peter Preiswerk sowie unabhängig davon Dana P. Mitchell und P.N. Powers im Jahre 1936 – vier Jahre nach Entdeckung dieser Elementarteilchen durch James Chadwick (Nobelpreis 1935). Als Neutronenquelle stand damals nur ein Gemisch aus Radium und Beryllium zur Verfügung (das Radium sendet beim Zerfall Alphateilchen aus, die das Beryllium in Kohlenstoff umwandeln, wobei ein Neutron emittiert wird.) Deren Quellstärke war aber viel zu gering, um für Strukturuntersuchungen an Festkörpern eingesetzt werden zu können. Erst die im Zweiten Weltkrieg in den Vereinigten Staaten für militärische Zwecke erbauten Kernreaktoren stellten quasi als Nebenprodukt Neutronenstrahlen genügender Intensität zur Verfügung.

Die ersten Experimente zur Beugung von Reaktorneutronen wurden mit dem im November 1943 in Betrieb genommenen graphitmoderierten "Clinton Pile" des Oak-Ridge-Nationallaboratoriums (Tennessee) – der damaligen Clinton-Laboratorien – und mit dem Schwerwasserreaktor CP-3 des Argonne-Nationallaboratoriums bei Chicago (Illinois), der 1944 in Betrieb ging, durchgeführt. An beiden Anlagen waren für das amerikanische Atombombenprojekt wichtige physikalische und technische Daten gewonnen worden. Unmittelbar nach Kriegsende wurden die wissenschaftlichen Arbeiten intensiviert, und Oak Ridge entwickelte sich rasch zum Zentrum der Erforschung der Neutronenbeugung.

Zunächst mußten grundlegende physikalische und experimentelle Zusammenhänge aufgeklärt werden. Wenn thermische Neutronen, deren Wellenlänge ungefähr dem Abstand der Atome im Kristallgitter entspricht, auf einen Kristall treffen, werden sie an den wie Spiegeln wirkenden Netzebenen reflektiert. Diese Interferenzerscheinung war von Röntgenstrahlen her bekannt: Gebeugte Strahlen treten nur in den Richtungen auf, in denen die an parallelen Netzebenen reflektierte Strahlung sich konstruktiv überlagert. William Henry Bragg und sein Sohn William Lawrence hatten 1913 bei ihren Untersuchungen zur Röntgenbeugung diesen Zusammenhang mathematisch beschrieben und damit die Grundlagen zur Röntgenstrukturanalyse gelegt (beide erhielten hierfür 1915 den Nobelpreis).

Diese Bragg-Reflexion läßt sich zum Beispiel nutzen, um monochromatische Neutronenbündel – das heißt, Neutronenstrahlen einer bestimmten Energie – zu erzeugen. Damit Interferenz auftritt, müssen die einzelnen Streuakte jedoch kohärent sein, die in einer Richtung reflektierten Neutronen also gleiche Wellenlänge und Phase aufweisen. Diese Kohärenz ist jedoch nur zum Teil erfüllt, weshalb man den Streuquerschnitt (ein quantitatives Maß für die Streuung) in einen kohärenten und einen inkohärenten Anteil zerlegt.

Anfang 1946 war noch unbekannt, woher diese kohärenten und inkohärenten (damals "diffus" genannten) Anteile rühren. Auch instrumentelle Probleme wie Vielfachstreuung in den Proben waren noch nicht verständlich. Entsprechend schwierig und unbefriedigend war die Interpretation der erhaltenen Beugungsmuster. Ohne deren richtige Deutung ließen sich aber kaum verläßliche Aussagen über die Struktur der untersuchten Kristalle machen.

In Oak Ridge versuchten Ernest O. Wollan und R.B. Sawyer, die Probleme anzugehen. Die Wissenschaftler hatten ein zweiachsiges Diffraktometer aufgebaut, bei dem die aus dem Reaktor austretenden Neutronen unterschiedlicher Energie zunächst auf einen Natriumchlorid-Einkristall als Monochromator trafen. Der von dort reflektierte monoenergetische Neutronenstrahl fiel über ein Blendensystem auf die zu untersuchende Probe. Weil die bis dahin vorgenommenen Messungen an großen Einkristallen keine konsistenten Ergebnisse geliefert hatten, wandten sich Wollan und Sawyer flüssigen und pulverförmigen Proben zu. Die an leichtem und schwerem Wasser sowie gepreßtem Kochsalzpulver gewonnenen Beugungsmuster beeindruckten Clifford G. Shull anläßlich eines Besuches in Oak Ridge so sehr, daß er das Angebot annahm, die Nachfolge von Sawyer anzutreten, der sich wieder der universitären Lehre widmen wollte.

Shull hatte noch keine Erfahrungen mit der Streuung von Neutronen, wohl aber mit der von Elektronen und Röntgenstrahlen. In seiner Doktorarbeit an der New York University, die er 1941 abschloß, hatte er einen Van-de-Graaff-Generator gebaut. Während der Kriegsjahre arbeitete er bei der Texas Company (der späteren Texaco), wo er die Eigenschaften von Katalysatoren für die Herstellung von Flugbenzin mittels Adsorption von Gasen und Röntgenbeugung untersuchte.

Nach seiner Ankunft in Oak Ridge im Juni 1946 begann Shull mit Wollan, die Grundlagen der Neutronenstreuung an Kristallpulvern systematisch zu untersuchen. Innerhalb von nur zwei Jahren gelang es beiden Physikern durch Messungen unterschiedlicher Substanzen, die Ursachen inkohärenter Streuung – nämlich die unterschiedliche Ausrichtung der Kernspins im Kristallgitter, Isotopeneffekte sowie Fehlstellen im Gitter und thermische Gitterschwingungen – und der Vielfachstreuung in den Proben zu erkennen. Damit waren erstmals quantitative Aussagen möglich, und die Forscher konnten beginnen, systematisch Streuamplituden und -querschnitte für verschiedene Materialien zu ermitteln. In einem 1951 veröffentlichten Übersichtsartikel faßten Shull und Wollan ihre Meßwerte für etwa 60 Elemente und Isotope zusammen und stellten damit der Wissenschaft die für Kristallstrukturanalysen erforderliche Datenbasis zur Verfügung.

Ein weiteres Ergebnis der damaligen Messungen waren die ersten Photographien von Beugungsmustern. Das erste Laue-Diagramm mittels Neutronen nahmen Shull und Wollan 1948 auf (Bild). Bei dieser Methode, die der Physiker Max von Laue für die Beugung von Röntgenstrahlen entwickelt und theoretisch erklärt hatte (wofür ihm 1914 der Nobelpreis verliehen wurde), durchstrahlten sie einen feststehenden Kochsalz-Einkristall mit Neutronen, die ein kontinuierliches Energiespektrum aufwiesen. Die so auf Röntgenfilmen abgebildeten Beugungsmuster verschiedener Einkristalle spielten eine wichtige Rolle für die weitere Entwicklung von Verfahren zur Neutronenstreuung. Eine unmittelbare Folge dieser Experimente war, daß man die bis dahin benutzten Monochromator-Einkristalle aus Natriumchlorid durch solche aus Metall ersetzte, weil diese die Intensität des reflektierten Strahls erhöhen.

Eine einzigartige Anwendung der Neutronenbeugung, die Shull gemeinsam mit J. Samuel Smart in Oak Ridge erkundete, beruht auf der Wechselwirkung des magnetischen Moments des Neutrons mit demjenigen der Elektronenhülle der Atome. In ferromagnetischen Materialien wie Eisen wirkt jedes Atom wie ein winziger Magnet, und alle magnetischen Momente sind parallel orientiert. In antiferromagnetischen Substanzen hingegen sind die magnetischen Momente benachbarter Atome antiparallel ausgerichtet, so daß sie sich gegeneinander aufheben. Damals war dies lediglich eine Vermutung, und es gab nur indirekte Hinweise auf einen antiferromagnetischen Zustand.

Bereits 1939 hatten Otto Halpern und M.H. Johnson an der New York University die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten von Neutronen und Atomen theoretisch untersucht. (Shull, der dort zu dieser Zeit mit seiner Doktorarbeit beschäftigt war, kannte deren Arbeit gut, denn sein Studienkollege Morton Hamermesh promovierte bei Halpern.) Felix Bloch von der Stanford-Universität in Kalifornien hatte sogar schon 1936 – in dem Jahr, in dem die Neutronenbeugung experimentell bestätigt wurde – auf die mögliche Bedeutung dieses Vorgangs hingewiesen. Shull und Smart vermochten 1949 mit ihren Untersuchungen an Manganoxid-Pulver den antiferromagnetischen Zustand tatsächlich nachzuweisen. Damit demonstrierten sie zugleich, daß Neutronen für die Untersuchung des magnetischen Zustands eines Festkörpers mindestens den gleichen Wert haben wie für die Bestimmung der atomaren Struktur.

Shull begründete in seinen weiteren Arbeiten in Oak Ridge noch weitere Verfahren, so zum Beispiel die Streuung von polarisierten Neutronen. Im Jahre 1955 wurde er als Professor für Physik an das Massachusetts Institute of Technology in Cambridge berufen. Dort wurde gerade der erste Forschungsreaktor an einer Hochschule fertiggestellt, und Shull sollte ein Neutronenstreuungsprogramm aufbauen. Bis zu seiner Emeritierung Ende 1986 war Shull – den manche liebevoll den "Vater der Neutronenstreuung" in den USA bezeichnen – dort tätig. Seine späteren Arbeiten umfaßten Untersuchungen des Neutrons selbst sowie die Entwicklung besserer Diffraktometer und reichten bis zur Überprüfung der Quantentheorie mittels Neutroneninterferometrie. Zu seinen zahlreichen Auszeichnungen gehört auch der Forschungspreis der deutschen Humboldt-Stiftung 1980, dessen Mittel er zu einem einjährigen Aufenthalt am Hahn-Meitner-Institut in Berlin nutzte.


Neutronenspektrometrie

Die Fortschritte, die Shull und Wollan in Oak Ridge erzielten, verdeutlichten schnell das Potential der Neutronenstreuung für die Wissenschaft. Mit dem Bau von Forschungsreaktoren in anderen Ländern eröffneten sich auch dort die Möglichkeiten für entsprechende Anwendungen, und zahlreiche Physiker begannen sich für dieses Arbeitsgebiet zu interessieren.

Einer von ihnen war der Kanadier Bertram N. Brockhouse. Vor Beginn seines Studiums an der Universität von Britisch-Kolumbien in Vancouver hatte er praktische Erfahrungen als Laborassistent und Elektroniker gesammelt. Nach seiner Promotion in Physik an der Universität von Toronto ging er im Juli 1950 zu den etwa 200 Kilometer nordwestlich von Ottawa gelegenen Chalk-River-Laboratorien. Dort war der erste Reaktor außerhalb der Vereinigten Staaten entstanden, der zudem den bis dahin höchsten Neutronenfluß aufwies. Brockhouse, sein Forschungsgruppenleiter Donald G. Hurst und die anderen Teammitglieder beschlossen, diese Eigenschaft des Reaktors zu nutzen, um die Möglichkeit der inelastischen Neutronenstreuung zu erkunden.

Im Gegensatz zur elastischen Streuung, die Shull in Oak Ridge nutzte und bei der die gestreuten Neutronen dieselbe kinetische Energie (und Wellenlänge) haben wie die einfallenden, tauschen Neutronen durch inelastische Prozesse mit Anregungszuständen im Festkörper Energie aus. Dies ist möglich, weil langsame Neutronen und Gitter- oder Molekülschwingungen vergleichbare Energien haben. Die Energie der inelastisch getreuten Neutronen ändert sich dabei beträchtlich, was sich experimentell einfach nachweisen läßt und nicht nur die Frequenz der entsprechenden Schwingung enthüllt, sondern auch die schwingenden Atome oder Molekülgruppen identifiziert.

Hurst und Brockhouse wurden durch eine 1944 veröffentlichte theoretische Arbeit von Robert Weinstock zu ihren Experimenten angeregt. Sie erkannten, daß man mit der inelastischen Streuung von Neutronen eine grundlegende Eigenschaft von Kristallen zu ermitteln vermag: die sogenannte Dispersionsrelation der Phononen. So wie Photonen quasi die Teilchen elektromagnetischer Wellen darstellen, sind Phononen die Quanten der Gitterschwingungen. Die Dispersionsrelation gibt den Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenvektor der Phononen an (oder anders ausgedrückt: den Zusammenhang zwischen Energie und Impuls der Phononen).

Zur Bestimmung der Dispersionsrelation läßt man monoenergetische Neutronen auf den zu untersuchenden Kristall treffen und mißt den Energiezuwachs beziehungsweise -verlust der inelastisch gestreuten Neutronen als Funktion der Streurichtung. Für ihre ersten Experimente an polykristallinen Proben aus Blei, Aluminium, Graphit und Diamant nutzten Brockhouse und Hurst eine vorhandene Apparatur. Anfang 1952 begann dann Brockhouse, ein dreiachsiges Spektrometer zu entwickeln. Bei einem solchen Gerät treffen die aus der Reaktorpforte austretenden Neutronen zunächst auf einen Monochromator-Kristall; ein von dort ausgeblendeter fein gebündelter und monoenergetischer Neutronenstrahl wird sodann an der Probe gestreut. Die von ihr entweichenden Neutronen haben unterschiedliche Energien, die sich durch Reflexion an einem zweiten Kristall, dem Analysator, bestimmen lassen.

Nach Überwinden instrumenteller Schwierigkeiten gelang Brockhouse Anfang 1955 gemeinsam mit Alec T. Stewart die erste erfolgreiche Bestimmung einer Phonon-Dispersionskurve an einem Aluminium-Einkristall. Weitere grundlegende Experimente an neuen Proben – auch an magnetischen Systemen – folgten. So konnte Brockhouse erstmals eine Dispersionsrelation von Magnonen (den Quanten einer Magnetisierungswelle) bestimmen, und er untersuchte als erster gemeinsam mit P.K. Iyengar die Gitterschwingungen in einem Halbleiter.

Die damaligen Experimente bewiesen die Brauchbarkeit des dreiachsigen Spektrometers, das in den folgenden Jahren zu einem Standardinstrument der Neutronenspektrometrie entwickelt wurde. Brockhouse verbesserte seine Nachweisgeräte in Chalk River weiter, bevor er 1962 als Professor für Physik an die McMaster-Universität in Hamilton (Provinz Ontario) berufen wurde, an der er bis zu seiner Emeritierung 1984 blieb. Den unvergleichlichen Wert der Neutronen für die Analyse atomarer Strukturen und Schwingungszustände in Festkörpern faßte er einmal mit dem knappen Satz zusammen: "Wenn es das Neutron nicht gäbe, müßte man es erfinden."


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1994, Seite 21
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