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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 127 / 03. 02. 2014
Wissenschaft & Technik
Die Suche nach der
Neutronenwelle
Neutronen und ihre Welleneigenschaften: Ein bahnbrechendes
Experiment, durchgeführt 1974 am Atominstitut, feiert Geburtstag.
Es war sicher eines der bedeutendsten
Experimente, die je in Österreich durchgeführt
wurden: Vor 40 Jahren, am 11. Jänner
1971, konnten Prof. Helmut Rauch und
sein Team am Wiener Atominstitut erstmals
nachweisen, daß Neutronen wellenartige Interferenzeigenschaften
ähnlich wie Licht
haben. Sie sind keine kleinen Kügelchen, die
sich auf eindeutig festgelegten Bahnen bewegen,
nach den Gesetzen der Quantenmechanik
muß man sich Neutronen wie Wellen
vorstellen, die sich durch Überlagerung verstärken
oder auslöschen können. Diese weltweit
aufsehenerregende Entdeckung war
nicht nur das Produkt von jahrelanger harter
Arbeit – wie immer in der Wissenschaft
gehörte auch eine Portion Glück dazu.
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Wellen und Teilchen
Besteht Licht aus Teilchen oder Wellen?
Darüber wurde jahrhundertelang gestritten,
bis die Quantentheorie schließlich die Auflösung
brachte: Es ist beides! Teilchen- und
Welleneigenschaften lassen sich nicht voneinander
trennen. Das bedeutet einerseits, daß
Lichtwellen sich manchmal wie diskrete Partikel
benehmen, es führt andererseits auch
dazu, daß man massiven Teilchen einen Wellencharakter
zugestehen muß. Wenn man etwa
ein Elektron auf ein feines Gitter schießt,
dann findet es nicht ein eindeutige Bahn
zwischen zwei bestimmten Gitterstäben, wie
das eine Gewehrkugel tun würde, sondern es
schwappt ähnlich wie eine Welle durch alle
Gitteröffnungen gleichzeitig hindurch.
Damit lag allerdings die Frage nahe: Läßt
sich diese Art von Wellen-Interferenz auch
bei größeren, schweren Teilchen beobachten?
Schon in den 60er-Jahren versuchte man, die
Welleneigenschaften von Neutronen zu untersuchen
– zunächst noch ohne Erfolg. Doch
das Team am Wiener Versuchsreaktor probierte
es mit einer neuen Methode: Aus Siliziumkristallen
stellte man hochpräzise Interferometer
her. „Die Neutronenwelle wird am
regelmäßigen Kristallgitter gestreut, dadurch
kann ein Neutronenstrahl in verschiedene
Teilstrahlen aufgeteilt werden, die sich dann
wieder zusammenführen und überlagern lassen“,
erklärt Helmut Rauch.
Fotos: TU WIen
Eintrag im Original-Notizbuch: Der erste Nachweis von Neutronenwellen.
Die Neutronenquelle des Atominstituts der TU Wien (im Jahr 2010).
Der Effekt ähnelt dem bunten Schimmern
einer CD, wenn man sie ins Licht hält: An
den feinen regelmäßigen Strukturen einer
CD wird Licht einer bestimmten Farbe in
ganz bestimmte Richtungen abgelenkt.
Die Entdeckung
Daß sich auf diese Weise Röntgenstrahlen
aufspalten und überlagern lassen, wußte
man bereits – die entscheidende Frage war
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also: Kann man mit Neutronen dieselben Interferenz-Experimente
durchführen, die man
von Röntgenstrahlen schon kannte?
Um die Neutronenwellen wirklich messen
zu können, muß man hochpräzise arbeiten
und mit viel Mühe unterschiedliche Fehlerquellen
ausschalten. Lange Zeit war unklar,
ob die Quanteneigenschaften von schweren
Materieteilchen – das Neutron hat über 1800
mal mehr Masse als ein Elektron – nicht aus