Was ist eine Neutronenaktivierungsanalyse?
Die Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) ist eine sehr empfindliche und genaue Methode zur Bestimmung der in einer Materialprobe vorhandenen Elemente. Die Probe wird mit Neutronen aus einer radioaktiven Quelle anvisiert. Dies führt dazu, dass viele der vorhandenen Elemente Gammastrahlen mit bestimmten Frequenzen aussenden, anhand derer sie identifiziert werden können. Auf diese Weise können rund 65 verschiedene Elemente erkannt werden. Es ist eine der nützlichsten wissenschaftlichen Techniken zur Untersuchung der Elementzusammensetzung von Proben und hat viele Anwendungen in der analytischen Chemie, Geologie, Forensik und anderen Bereichen.
Wenn ein Neutron auf den Kern eines Atoms trifft, wird es häufig absorbiert, bildet ein schweres Isotop und sendet einen Gammastrahl aus. In vielen Fällen sind diese Isotope instabil und zerfallen nach einer kurzen Verzögerung in ein anderes, leichteres Isotop, wobei ein oder mehrere Gammastrahlen mit Energien emittiert werden, die für dieses Isotop charakteristisch sind. Beispielsweise kann das häufigste Isotop von Natrium - Natrium-23 - ein Neutron absorbieren und das instabile Isotop Natrium-24 bilden, das dann in Magnesium-24 zerfällt und bei bestimmten Energien zwei Gammastrahlen emittiert. Durch Messen der Energien der Gammastrahlen und der emittierten Menge können sowohl die vorhandenen Elemente als auch deren Häufigkeit in der Probe bestimmt werden. Der anfängliche Gammastrahl, der unmittelbar nach der Absorption des Neutrons ausgesendet wird, wird als prompter Gammastrahl bezeichnet, es werden jedoch normalerweise die verzögerten Gammastrahlen gemessen.
Die Neutronenaktivierungsanalyse ist eine sehr empfindliche Technik. Es kann Elemente bis zu einem Teil pro Million und in einigen Fällen bis zu einem Teil pro Milliarde erkennen. Das Verfahren ist auch insofern sehr vielseitig, als es Proben in fester, flüssiger und gasförmiger Form analysieren und Probengrößen von bis zu 0,000035 Unzen (0,001 Gramm) verarbeiten kann.
Die Neutronenquelle wird manchmal als Neutronenhaubitze bezeichnet. Wenn einige leichte Elemente Alphateilchen ausgesetzt werden, emittieren ihre Kerne Neutronen. Hierfür eignet sich besonders das Element Beryllium. Durch Mischen von Beryllium mit einer Quelle von Alpha-Partikeln wie Plutonium 239 oder Radium 226 kann eine starke Quelle von Neutronen erzeugt werden. Dies kann mit einer geeigneten Strahlungsabschirmung versehen werden, jedoch mit einer Öffnung, durch die die Neutronen austreten können.
Kernreaktoren werden auch als Neutronenquellen verwendet. In den USA stellt der Hochfluss-Isotopenreaktor (HFIR) in Oak Ridge, Tennessee, eine Neutronenquelle für das Oak Ridge National Laboratory bereit und ist damit ein wichtiges Zentrum für die Analyse der Neutronenaktivierung. Radioaktive Elemente, die durch Kernspaltung Neutronen produzieren, z. B. Californium-252, können auch in kleinerem Maßstab verwendet werden, sodass Neutronenquellen in Desktop-Größe verwendet werden können.
Die Neutronenaktivierungsanalyse hat ein breites Anwendungsspektrum. Es kann in der verarbeitenden Industrie zum Nachweis von Verunreinigungen in Metallen, in der Biologie zur Untersuchung des Metabolismus von Spurenelementen, in der Geologie zur Analyse von Gesteins- und Bodenproben und in der Forensik zur Gewinnung entscheidender Informationen aus Tatortproben eingesetzt werden. Ein bekanntes konkretes Beispiel für die Neutronenaktivierungsanalyse in Aktion ist die Feststellung, dass alle Kugelfragmente aus der Mordszene von John F. Kennedy aus denselben zwei Kugeln stammen, die mit derselben Waffe abgefeuert wurden. Ein weiteres Beispiel war die Entdeckung einer Schicht iridiumreicher Sedimente an der Grenze zwischen der Kreidezeit und dem Tertiär, was auf einen großen Meteoriteneinschlag hindeutete, der mehr oder weniger mit einem Massensterben zusammenfiel, das den Niedergang der Dinosaurier markierte.