Szabad állapotba ju tott neutronok egyedülálló dolgokat tudnak művelni, így előállításuk a 20. század tudományának és történelmének jelentős fejezete.
Akármennyire büszkék is kívánnánk lenni az emberi találékonyságra, az első nagy intenzitású földi neutronforrásokat bizony a természet hozta létre.
Ezeknek létezik ugyanaz a két fő típusa, amelyekkel manapság az emberi kéz a legnagyobb mennyiségben gyártja a szabad neutronokat. Ezek közül ma már csak az egyik működik a termeszétben, az ún. spalláció. E magfizikai re
akciócsaládnak az a lényege, hogy egy nagyon nagy sebességű (energiájú) ré
szecske a legtöbb atommagból ki tud ütni egy vagy több neutront, mégpedig többféle módon. A legtermékenyebb az a folyamat, amelyben egy mag elnyeh az energetikus részecskét és annak energiáját, ettől felhevül, és nagy szám
ban párolognak el belőle neutronok.
A Földre érkező kozmikus sugárzás spalláció révén másodpercenként mintegy 1017 neutront hoz így létre a felső légkörben. Ez évenként 5 gr-nyi
neutront jelent, nem igazán ipari szintű mennyiséget. Ezek a neutronok m int
egy 30 000 km/sec sebességgel száguldanak át a légkörön, és a Föld felületén, elsősorban a talajban levő nedvesség hidrogénatomjaival ütközve jelentős ré
szük lelassul mintegy 2-3 km/sec sebességre, amely megfelel a szobahőmér
sékletű anyagok atomjai mozgási energiájának. Ezek a kozmikus eredetű lassú neutronok mintegy 10 évvel ezelőtt bekerültek a világ minden napilapjába, ál
talában a címoldalra. Teljesen saját hibájukon kívül. Ugyanis a nagy port fel
vert „hideg magfúzió" proponensei megalapozatlan tézisüket azzal is alátá
masztani vélték, hogy kimutatták neutronok jelenlétét a laboratóriumaikban.
Ha tényleg fúzióról lett volna szó, sokszor több neutronnak kellet volna fel
szabadulnia. A szenzáció lázában bizony elfelejtettek annak utánanézni, hogy a neutronok akkor is ott voltak-e, amikor a titokzatos hideg fúzió nem volt jelen.
A földtörténet korábbi szakaszában más típusú, sokkal termelékenyebb neutronforrások is működtek. Ezek a maghasadásnak ugyanarra az elvére épültek, mint a mai atomerőművek. E folyamat során az urán 235-ös izotópja egy neutront fog be, és ennek következtében széthasad kisebb tömegű ma
gokra, miközben több neutron is szabaddá válik. Az urán 235 ma mindössze 0,7% -át alkotja az természetben található uránnak, amelynek a Földön ismert előfordulási helyei közül a tengerek vizében feloldott mennyiség messze a leg
nagyobb. (A bányákból való kinyerés azonban ma olcsóbb.) A Föld fiatal korá
ban a 235-ös urán izotóp részaránya sokkal nagyobb volt, így könnyebben lét
rejöttek az uránlerakódásokban olyan feltételek, amelyek révén spontán, vé
letlenül a ma nagy gonddal tervezett és felügyelt atomerőművekkel azonosan működő óriási atomreaktorok jöttek létre, pl. a mai Ghána területén, A mag
hasadás nagy méretekben való létrejöttének kulcsa a láncreakció, amelyet Szi
lárd L eó ismert fel 1934-ben. Szilárdnak sikerült felfedezését az angol t^nge- részetnek átadott szabadalom formájában 5 éven keresztül titokban tartania, azzal a céllal, hogy az atomfegyverkezési verseny megindulását késleltesse.
1939-ig tartott, míg néhány más vezető tudós is rájött a dologra, és ezek egyi
ke, a francia Joliot-C u rie megtörte a többiek által kért hallgatást. A láncreak
ció révén minden hasadási ciklus után közel megduplázódhat a hasadások száma, és egyetlen hasadási folyamat által indított lavina a másodperc tört ré
sze alatt milliárd atomra terjed tovább. Egy átlagos méretű atomerőműben egy másodperc alatt mintegy 1020 neutron keletkezik, azaz évenként mintegy 5 kg, miközben mintegy 500 kg urán-235 hasad el.
A maghasadás óriási energiát szabadít fel hő formájában, egy átlagos ház
tartás évi energiaszükségletét mintegy 2 gr urán fedezi, de eközben kb. fele
annyi tömegű plutónium is keletkezik, amely az atomhulladék legkritikusabb eleme. A plutónium maga is ugyanannyi hasadási energiát tartalmaz mint az urán-235, és ugyanúgy békés és háborús célokra is felhasználható. Míg az urán-235 izotópot csak bonyolult és költséges eljárásokkal lehet kivonni a ter
m észetes uránból, vagy az atomerőművek elhasznált fűtőelemeiből, a plutóni
um kémiai úton viszonylag egyszerűen kivonható az atomhulladékból, és a vi
lág atomenergia- és atomfegyver-programjai eddig kb. 800 tonna plutónium létrehozásához és tárolásához vezettek.
A lassú neutronok jelentősége abban is áll, hogy szilárd testek, folyadékok, biológiai anyagok kutatásában mint szonda igen fontos szerepet játszanak. Ez annak köszönhető, hogy a neutronsugárzásnak mind hullámhossza mind rez
gési frekvenciája az atomi szerkezetek és mozgások távolság- és idő-tartomá- nyába esik. Különösen egyedülállóak a neutronokkal végzett kutatás által nyújtott lehetőségek az ún. „puha" anyagok vizsgálatában. Ebbe az anyagcsa
ládba tartoznak a gazdaságban egyre nagyobb szerepet játszó polimerek és biopolimerek. Ezekben az óriás molekulaláncokból felépülő rendszerekben olyan szerkezetek alakulnak ki, amelyek elemi méretei az atomi és makrosz
kopikus méretek közé esnek, az ún. nanoméretek tartományában vannak. Pél
dául egy polimerlánc-molekulát körülvevő többi polimer lánc az eredeti mole
kula körül egy kb. 4 nm (0.004 mikron) átmérőjű „csövet" alakít ki, és a mole
kulalánc ezen a csövön belül tud relatíve szabadon mozogni. Mivel itt az atomi léptékhez viszonyítva nagy méretekről van szó, a kémiai kötésekben szomszé
dos atomok távolságának mintegy hússzorosáról, az ilyen méretű szerkezeti elemek mozgása lényegesen lassabb lesz a nagyobb tömeg és tehetetlenség miatt, mint az egyéni atomok mozgása.
Ily módon nemcsak a szerkezet, hanem a mozgási folyamatok jellemző ide
je is a mikroszkopikus és makroszkopikus tartományok közé esik, a mezo- szkopikusnak nevezett területre. A neutronokhoz hasonlóan gazdag informá
ciót szállítani tudó két legfontosabb másik módszer, a fény-szórási és rönt
genvizsgálatok számára a mezoszkopikus tér-idő tartomány hozzáférhetet
len. Nem véletlen, hogy a „puha" anyagok elméletében elért eredményeiért 1991-ben Nobel-díjjal kitüntetett P ierre-G illes d e Gennes jóslatainak kísérle
tei bizonyításában a neutronos vizsgálatok, köztük a Magyarországon felfede
zett N eu tron Spin E ch o eljárás*, döntő szerepet játszottak. E területen a jövő legfontosabb kihívása az élő szervezet „puha" anyagainak jobb megismerése, amelyen belül elsősorban a funkcionalitás megértése áll az érdeklődés közép
pontjában. Sok többé-kevésbé direkt megfigyelésből tudjuk, hogy a biológiai molekulák szerkezete egyedül nem magyarázza meg működésüket, és a leg
fontosabb életjelenségek, pl. a hemoglobin oxigénszállító képessége a mole
kula spontán belső mozgása, rezgése, csavarodása nélkül elképzelhetetlen.
Részletekben azonban nagyon keveset tudunk e mozgások módozatairól, me
chanizmusáról, hatékonyságáról, kölcsönhatásairól.
Az anyagok kutatásához nagy fényerejű lassú neutronnyalábokra van szük
ség. Ezeket manapság a cikk elején említett mindkét „természetes" eljárás se
* Ezt a m ódszert e cikk szerzője fedezte fel. (A szerk.)
gítségével állítják elő, nem olcsón. A maghasadáson alapuló kutatóreaktorok
ból, amelyek mellett korszerű anyagkutatást lehet végezni, 8-9 van Európá
ban, ezek közé tartozik a KFKI kutatóreaktora. A spallációs módszer földi változatában gyorsítóval nagy sebességű protonokat állítunk elő amelyek valamilyen nehézfém (ólom, wolfram, higany, stb.) tömbre esnek és a nehéz
fémmagokból protononként kb. 30 neutront ütnek ki. Ez utóbbi eljárás egyre jobban terjed, mert neutrononként kb. hétszer kevesebb hőleadáshoz vezet, mint a maghasadás. Márpedig a kutatási célokat szolgáló neutronforrásokkal szemben a fő követelmény a forrás fényessége, azaz az egy adott térfogatban másodpercenként keletkező neutronok száma. Ezt pedig a neutronkeltést kí
sérő hőleadásnak határt szabó hűtési teljesítmény korlátozza. Európában je lenleg két spallációs forrás működik (Angliában és Svájcban), amelyek közül az oxfordi ISIS berendezés a világ legnagyobb teljesítmén3m spallációs forrá
sa. A neutronokkal való kutatásban évtizedek óta vezető szerepet játszó ku
tatóreaktor ugyancsak Európában található, a grenoblei Laue-Langevin Inté
zetben.