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Zu eng für Materiewellen

Ungewöhnlicher Effekt sich überlagernder Neutronenstrahlen

Von Rainer Scharf

Wie alle Elementarteilchen haben auch die Neutronen ein janusköpfiges Wesen. Sind sie in einem Atomkern gebunden, verhalten sie sich wie winzige, kompakte Kugeln. Können sie sich jedoch frei bewegen, breiten sie sich wellenförmig aus. Überlagert man zwei solcher Neutronenwellen miteinander, dann kommt es bei bestimmten Bedingungen zu charakteristischen Interferenzerscheinungen, wie man sie von Lichtwellen kennt. Einen ungewöhnlichen Interferenzeffekt von Neutronen, der schon vor fünfzehn Jahren vorhergesagt worden war, haben kürzlich österreichische Forscher erstmals nachgewiesen.

Läßt man die neutralen ungeladenen Neutronen durch zwei parallele Platten hindurchfliegen, dann spüren sie, daß ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist. Das gilt auch dann, wenn die Teilchen stets in "sicherem" Abstand von den Wänden bleiben. Beim Durchflug erleidet die Materiewelle eine Phasenverschiebung. Die Berge und Täler der Wellen werden geringfügig entlang der Bahn des Neutrons verschoben. Helmut Rauch vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten in Wien und seine Mitarbeiter konnten diese Phasenverschiebung erstmals direkt beobachten ("Nature", Bd. 417, S. 630).

Für ihre Experimente benutzten die Forscher um Rauch den intensiven Neutronenstrahl des Hochflußreaktors am Institut Laue-Langevin in Grenoble. Aus dem Strahl filterten sie zunächst Neutronen einer bestimmten Energie heraus. Es blieben also Wellenpakete einer festumrissenen Wellenlänge übrig. Dieser "monochromatische" Neutronenstrahl wurde dann in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und an einer anderen Stelle wieder zusammengeführt, wo sie sich überlagerten. Da die Strahlen jeweils unterschiedlich lange Wege zurücklegten, konnten die Forscher ein typisches Interferenzmuster beobachten.

Danach stellten Rauch und seine Kollegen enge Schlitze in einen der beiden Strahlen, worauf sich das Muster in charakteristischer Weise veränderte. Die Forscher fanden heraus, daß die Neutronenwellen, die das Hindernis passierten, einen Phasensprung von 2,8 Grad erfuhren, obwohl die Neutronen die Spaltwände nicht berührten (360 Grad entspricht der Verschiebung um einen ganzen Wellenberg.) Offenbar waren Wellenpakete ungefähr so groß wie die etwa einen fünfzigstel Millimeter breiten und zwanzig Millimeter langen Schlitze. Der Teilchendurchmesser von Neutronen ist mit rund einem Femtometer (billiardstel Meter) vergleichsweise verschwindend klein.

Die Quantentheorie liefert den Forschern letztlich den Grund für die Phasenverschiebung. Danach haben die Neutronenwellen, die in ihrer "Bewegungsfreiheit" eingeschränkt sind, eine geringfügig höhere Energie. Das führt schließlich dazu, daß sich die Phase ein wenig gegenüber der anderen Welle, die sich frei ausbreiten kann, verschiebt. Entsprechende Rechnungen bestätigten die gemessene Verschiebung. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 27.11.2002, Nr. 276 / Seite N1

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