How big is Neutron?

Ein Neutron ist ein Teilchen ohne elektrische Ladung, das zusammen mit Protonen im Kern fast jedes Atoms vorkommt. Sein Durchmesser beträgt etwa 1,7 Femtometer – das Doppelte seines magnetischen Radius, der beschreibt, wie sich sein Magnetismus verteilt. Ein Femtometer ist ein Millionstel eines Milliardstels eines Meters (10⁻¹⁵ Meter).

Größe

Ein Neutron hat keine feste Oberfläche. Es besteht aus drei kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks: einem Up-Quark und zwei Down-Quarks, die von der starken Kernkraft zusammengehalten werden – derselben Kraft, die auch Neutronen und Protonen zu einem Atomkern bindet. Das Up-Quark trägt eine positive Ladung, die beiden Down-Quarks tragen negative Ladungen, und zusammen heben sich die Ladungen auf.

Die Größe eines Protons wird danach bestimmt, wie sich seine elektrische Ladung verteilt, doch bei einem Neutron funktioniert das nicht. Seine positiven und negativen Ladungen sind unterschiedlich verteilt, sodass das übliche Maß für die Ladungsgröße als negative Zahl herauskommt – und eine negative Zahl kann keine Breite sein. Physiker verwenden deshalb stattdessen den Magnetismus des Neutrons.

Ein Neutron wirkt wie ein winziger Magnet. Die Particle Data Group, die weltweit Messwerte zu Teilchen sammelt, gibt den mittleren Radius dieses Magnetismus mit 0,864 Femtometern an, mit einer Genauigkeit von etwa 1 %. Streuexperimente zeigen zudem, dass Neutronen und Protonen etwa gleich groß sind.

Größenvergleiche

Ein Neutron ist etwa so groß wie ein Proton. Auf die gleiche Weise gemessen, also über ihren Magnetismus, unterscheiden sich ihre Radien um weniger als 2 %.
Ein Heliumkern, der aus zwei Neutronen und zwei Protonen besteht, hat einen Durchmesser von etwa 3,4 Femtometern – etwa das Doppelte der Breite eines einzelnen Neutrons.
Wäre ein Neutron auf die Größe eines Basketballs vergrößert, wäre der Kern der häufigsten Uran-Sorte, der 146 Neutronen und 92 Protonen enthält, etwa 1,6 Meter groß.
Etwa 60 Milliarden Neutronen, nebeneinander gelegt, würden die Breite eines Menschenhaares ergeben, also etwa 0,1 Millimeter.

Wie das Neutron entdeckt wurde

1930 beschossen Walther Bothe und Herbert Becker das Metall Beryllium mit Alphateilchen, also Heliumkernen. Dabei entstand eine starke, durchdringende Strahlung, die manche Physiker für energiereiche Strahlung derselben Art wie Licht hielten. 1932 zeigte James Chadwick am Cavendish-Laboratorium in Cambridge, England, dass sie aus neutralen Teilchen mit etwa der Masse eines Protons bestand. Ernest Rutherford hatte vermutet, dass es solche Teilchen in Atomkernen geben könnte, und sie wurden Neutronen genannt.

Da ein Neutron keine Ladung trägt, stößt die positive Ladung eines Atomkerns es nicht ab. Deshalb können Neutronen sogar die schwersten Atomkerne erreichen und spalten, und Chadwicks Entdeckung ebnete den Weg zur Spaltung von Uran. Dafür erhielt er 1935 den Nobelpreis für Physik.

Ein freies Neutron

Außerhalb eines Atomkerns hält sich ein Neutron nicht lange. Im Durchschnitt besteht es etwa 15 Minuten (878 Sekunden), bevor es in ein Proton, ein Elektron und ein Teilchen namens Antineutrino zerfällt. Ein Neutron ist etwas schwerer als ein Proton, um etwa 0,14 %.