Neutron
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| Classification |
Particule composite (baryon) |
|---|---|
| Composition | |
| Famille | |
| Groupe | |
| Interaction(s) | |
| Symbole |
n, n0 |
| Antiparticule |
| Masse | |
|---|---|
| Charge électrique |
0C |
| Moment dipolaire |
< 2,9 × 10−26ecm |
| Polarisabilité électrique |
1,16(15) × 10−3fm3 |
| Moment magnétique |
−1,913 042 7(5)μN |
| Polarisabilité magnétique |
3,7(20) × 10−4fm3 |
| Charge de couleur |
0 |
| Spin |
½ |
| Isospin |
-½ |
| Parité |
+1 |
| Durée de vie |
880,3 ± 1,1s |
| Forme condensée |
-½ |
| Prédiction |
Ernest Rutherford(1920) |
|---|---|
| Découverte |
1932 |
| Découvreur |
Leneutronest uneparticule subatomiquedecharge électriquenulle.
Les neutrons sont présents dans lenoyaudesatomes,liés avec desprotonspar l'interaction forte.Alors que le nombre de protons d'un noyau détermine sonélément chimique,le nombre de neutrons détermine sonisotope.Les neutrons liés dans un noyau atomique sont en général stables mais les neutrons libres sont instables: ils se désintègrent en un peu moins de 15 minutes (880,3 secondes). Les neutrons libres sont produits dans les opérations defissionet defusionnucléaires.
Le neutron n'est pas uneparticule élémentairemais uneparticule compositecomposée de l'assemblage de trois composants: unquark upet deuxquarks down,liés par desgluons.
Caractéristiques
[modifier|modifier le code]Description
[modifier|modifier le code]Le neutron est unfermiondespin½. Il est composé de troisquarks(deuxdownet unup), ce qui en fait unbaryondecharge électriquenulle. Ses quarks sont liés par l'interaction forte,transmise par desgluons.
La masse du neutron est égale à environ 1,008 665 549 16u,soit à peu près 939,565 379MeV/c2[2]ou 1,675 × 10−27kg[4].Le neutron est 1,001 4 fois plus massif que leproton.Sacharge électriqueest nulle. Tout comme le proton, le neutron est unnucléon,et peut être lié à d'autres nucléons par laforce nucléaireà l'intérieur d'unnoyau atomique.Le nombre de protons d'un noyau (sonnuméro atomique,notéZ) détermine les propriétés chimiques de l'atomeet donc quelélément chimiqueil représente; le nombre de neutrons (usuellement notéN) détermine en revanche l'isotopede cet élément. Lenombre de masse(notéA) est le nombre total de nucléons du noyau:A=Z+N.
Lemodèle standardde la physique des particules prédit une légère séparation des charges positive et négative à l'intérieur du neutron, conduisant à unmoment dipolaire électriquepermanent[5].La valeur prédite est cependant trop petite pour être mesurée avec les instruments actuels.
Le neutron pos sắc de uneantiparticule,l'antineutron.
Stabilité
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Selon les contraintes dumodèle standard de la physique des particules,comme le neutron est composé de troisquarks,son seulmode de désintégrationpossible (sans modifier lenombre baryonique) suppose lechangement de saveurd'un quark, par l'intermédiaire de l'interaction faible.La désintégration d'un quark down, de charge -1/3, en un quark up, de charge +2/3, est réalisée par l'émission d'unboson W−;de cette façon, le neutron se désintègre en unproton(qui contient un quark down et deux quarks up), unélectronet unantineutrino électronique.
- n → p + e−+ antineutrino +782keV
À l'extérieur d'unnoyau atomique,le neutron libre est instable et sadurée de vie moyenneest de 880,3 ± 1,1s(soit un peu moins de 15 minutes; lademi-viecorrespondante est de 880,3 × ln (2) = 610,2s,soit un peu plus de 10 minutes)[4].Il sedésintègresuivant le processus décrit ci-dessus. Ce processus, nommédésintégration bêta,peut également transformer un neutron à l'intérieur d'un noyau atomique instable.
Ces durées de vie (moyenne et demi-vie) sont très supérieures aux durées de vie des neutrons observées dans unréacteur nucléaire,ce qui fait que la disparition des neutrons par désintégration peut être négligée dans le bilan neutronique (production/disparition) du réacteur.
À l'intérieur d'un noyau atomique, un proton peut se transformer en neutron par un processus de désintégration bêta inverse. La transformation provoque également l'émission d'unpositron(un antiélectron) et d'unneutrino électronique.
- p +782keV?→ n + positron + neutrino
Dans un noyau atomique, l'instabilité du neutron est contrebalancée par celle qui serait acquise par le noyau dans son ensemble si un proton additionnel participait aux interactions répulsives des autres protons déjà présents. De cette façon, si les neutrons libres sont instables, les neutrons liés ne le sont pas forcément. Enastrophysique,on précise que la stabilité du neutron peut être obtenue non plus par l’interaction forte, mais par lagravitation.Uneétoile à neutronsest un astre extrêmementdense,dont la composition interne est majoritairement faite de neutrons maintenus ensemble par le très fortchamp gravitationnelqu'ils génèrent du fait de leur grand nombre et de leur haute densité. La désintégration du neutron est cette fois rendue impossible par leprincipe d'exclusion de Pauliqui empêche les électrons ainsi produits de coexister en grand nombre.
Radioactivité
[modifier|modifier le code]Laradioactivitéproduit des neutrons libres. Ces neutrons peuvent être absorbés par les noyaux d'autres atomes qui peuvent alors devenir instables. Ils peuvent aussi provoquer unefission nucléairepar collision avec un noyau lourdfissile(plutonium239,uranium235...).
Le neutron étant globalement neutre, il ne produit pas directement d'ionisations en traversant la matière. En revanche, il peut avoir de nombreuses réactions avec les noyaux des atomes (capture radiative,diffusion inélastique,réactions produisant desparticules αou d'autres neutrons, fission du noyau,etc.), produisant chacune des rayonnements ionisants. À ce titre, les neutrons sont considérés comme unrayonnement ionisant,soit un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse.
Historique
[modifier|modifier le code]Défauts du modèle proton-électron du noyau
[modifier|modifier le code]William Draper Harkinsest le premier à prédire en 1920 l'existence du neutron[6],[7].
Ayant découvert l'existence dunoyau atomiqueen 1911,Ernest Rutherfordémet en 1920 l’hypothèse de l’existence du neutron comme une association proton-électron.James Chadwick,l’assistant de Rutherford et l’un de ses plus brillants disciples, entendit Rutherford, dans le cercle des habitués desBakerian Lecturesde laRoyal Society,formuler l’idée d’une sorte d’atome de masse 1 et de charge 0 qui n’était pas l’hydrogène: cet objet n’est pas sujet aux répulsions électriques que subissent les protons et les particules Alpha et doit pouvoir s’approcher des noyaux et y pénétrer facilement. Chadwick se souvint douze ans plus tard de cette communication, quand il eut à interpréter les résultats de ses expériences.
Pendant toutes les années 1920, les physiciens supposent que le noyau atomique est composé des protons etélectrons nucléaires[8],[9].Par exemple, le noyau de14N contenait supposément 14 protons et 7 électrons nucléaires, en plus des 7électrons orbitauxà l'extérieur du noyau. Cependant des difficultés de cemodèle proton-électrondeviennent évidents. Le modèle est difficile à réconcilier avec leprincipe d'incertitudede Heisenberg. Leparadoxe de Klein,découvert parOskar Kleinen 1928, soulève encore d'autres objections au confinement d'un électron léger à l'intérieur d'un volume aussi petit qu'un noyau.
En plus, les propriétés observées des atomes et des molécules ne sont pas cohérentes avec lespin nucléaireprévu par le modèle proton-électron. Par exemple, si le noyau14N contenait vraiment un total de 21 particules (protons et électrons), chacun de spin ½ħ,son spin devrait être un multiple demi-entier de ħ. Cependant les spectres moléculaires de N2indiquent que le vrai spin de14N est de 1(ħ), ce qui implique un nombrepairde particules constituantes.
Découverte du neutron
[modifier|modifier le code]La découverte du neutron a résulté de trois séries d’expériences, faites dans trois pays différents, l’une entraînant l’autre. En ce sens elle est exemplaire de la recherche de la connaissance.
En1930,enAllemagne,Walther Botheet Herbert Becker, spécialistes durayonnement cosmiqueobservent que les éléments légerslithium,bérylliumetbore,bombardés par desparticules α,émettent des rayons « ultra pénétrants » qu’ils supposent être desrayons gammabeaucoup plus énergiques que ceux émis par des noyaux radioactifs ou accompagnant lestransmutationsnucléaires.
En1931,en France,IrèneetFrédéric Joliot-Curieintrigués par ces résultats cherchent à comprendre la nature de ce rayonnement et découvrent qu’il a la propriété de mettre en mouvement des noyaux atomiques et en particulier des protons… Ils supposent qu’il s’agit là d’uneffet Comptonentre des gamma dont ils estiment l’énergie à environ50MeV(une énergie très élevée pour l’époque) et de l’hydrogène.
En 1932, enAngleterre,aussitôt ces résultats parus,James Chadwickfait un test confirmant les résultats et va plus loin et mesurant avec précision l’énergie des noyaux projetés en utilisant la réaction nucléaire4He(α) +9Be →12C +1n, il peut affirmer que le rayonnement « ultra pénétrant » ne peut être un rayonnement gamma, d’énergie très élevée, mais doit être composé de particules de masse 1 et de charge électrique 0: c’est le neutron.
Chacune des trois équipes avait travaillé avec les appareils dont elle disposait, mais aussi avec ses connaissances et avait baigné dans la tradition de son laboratoire. Il n’est pas étonnant que ce soit au laboratoire deCambridge,dirigé parErnest Rutherfordque le neutron ait été découvert. Depuis 1920, Rutherford, en effet, avait émis l’hypothèse de l’existence du neutron comme une association proton-électron. Cependant l'explication des propriétés nucléaires oblige de reconnaître que le neutron est plutôt une particule aussi élémentaire que le proton[10].
Werner Heisenbergdéveloppe rapidement unmodèle proton-neutrondu noyau constitué des protons et neutrons, ce qui réussit à expliquer les valeurs observées des spins nucléaires. De plus, en 1934Enrico Fermiexplique laradioactivité βcomme la transformation d'un neutron par l'émission d'un électron (créé au moment de son émission) ainsi qu'unneutrino(qui restait encore à découvrir une vingtaine d'années plus tard). Aussi Fermi effectue le bombardement des éléments lourds avec les neutrons afin d'induire la radioactivité aux éléments de numéros atomiques élevés.
En 1935, Chadwick et son étudiantMaurice Goldhaberfont la première mesure précise de la masse du neutron. La même année Chadwick gagne lePrix Nobel de physiquepour la découverte du neutron. En apprenant cette nouvelle, Rutherford dira, selonEmilio Segrè:« Pour le neutron, c’est Chadwick tout seul. Les Joliot-Curie sont tellement brillants qu’ils le mériteront vite pour quelque chose d’autre! »
En 1938, Fermi reçoit le prix Nobel en physique pour avoir démontré l'existence de nouveaux éléments radioactifs produits par l'irradiation neutronique, ainsi que pour la découverte desréactions nucléairesinduites par des neutrons lents. Cette dernière découverte amèneOtto Hahn,Lise Meitner,etFritz Strassmannà la découverte de lafission nucléaireinduite par les neutrons lents.
Ont également étudié les propriétés du neutron:Jean-Louis Destouches[11],Igor Tamm,Franz N. D. Kurie.
Détection
[modifier|modifier le code]Les particules atomiques et subatomiques sont détectées par la signature qu'elles produisent par interaction avec leur environnement. Ces interactions résultent de leurs caractéristiques fondamentales. Du fait notamment de sa charge globalement nulle, le neutron est généralement détecté par interaction nucléaire, c'est-à-dire par l'utilisation de réactions nucléaires spécifiques.
Applications
[modifier|modifier le code]Les neutrons sont utilisés pour ladiffusion neutronique,processus permettant d'étudier de la matière à l'état condensé. Ce rayonnement pénétrant permet de voir les intérieurs des corps, comme des métaux, des minerais, des fluides et permet d'examiner leur structure à l'échelle atomique pardiffraction.Un autre avantage des neutrons réside dans leur sensibilité magnétique due à leur spin, ce qui permet d'étudier la structure magnétique des matériaux. Laspectroscopieneutronique permet d'étudier d'une manière unique les excitations des corps, comme lesphonons,les vibrations atomiques et lesmagnons.Les neutrons sont également utilisés pour radiographier des objets spéciaux (éléments pyrotechniques de moteurs-fusées par exemple, ou encore barres de combustible irradié). On parle dans ce cas deneutronographie.Dans ces utilisations, lerayonnement neutroniqueest complémentaire desrayons X.
Les neutrons sont également utilisés pour leur aptitude à provoquer des réactions nucléaires (fissions,capture radiativeoudiffusion inélastique). Une application en est lecontrôle nucléaire de procédé,qui permet de mesurer quantitativement et qualitativement le contenu de mélanges dematière fissile(uranium, plutonium,actinides mineurs) dans le processus de traitement du combustible usé (usine de La Hague notamment).
Sources
[modifier|modifier le code]Lessources de neutronsà haut flux sont soit desréacteurs nucléairesdestinés à la production de ce rayonnement, soit des sources despallation,grandsaccélérateursde protons qui envoient un faisceau de protons accélérés sur une cible évaporant des neutrons. Typiquement, les sources de neutrons rassemblent un parc d'instrumentation formant de grands centres d'utilisateurs nationaux ou internationaux.
Centres de recherche
[modifier|modifier le code]- L'ANSTO(en)exploitait le réacteur historiqueHIFAR(en)et a mis en service en 2007 un des plus modernes centres neutroniquesOPAL(en).
Europe:
- L'institut Laue-Langevinest le plus grand centre du monde autour d'un réacteur neutronique, leRéacteur à Haut Flux(RHF).
Notes et références
[modifier|modifier le code]- Maurice Jacob,Au cœur de la matière: la physique des particules élémentaires,Odile Jacob,,400p.(ISBN978-2-7381-0980-4,lire en ligne),p.37.
- Eric Simon, «La différence de masse entre proton et neutron obtenue par calcul pour la première fois», surca-se-passe-la-haut.fr,(consulté le).
- CODATA 2010
- (en)[PDF]«The Review of Particle Physics», Particle Data Group,
- (en)«Pear-shaped particles probe big-bang mystery», Université du Sussex,
- (en)«William Draper Harkins | American chemist»,Encyclopedia Britannica, mise-à-jour 2018(lire en ligne,consulté le)
- (en)PatrickCoffey,Cathedrals of Science: The Personalities and Rivalries That Made Modern Chemistry,Oxford University Press,,400p.(ISBN978-0-19-988654-8,lire en ligne)
- (en)Laurie M.Brown,«The idea of the neutrino»,Physics Today,vol.31,no9,,p.23(DOI10.1063/1.2995181,Bibcode1978PhT....31i..23B)
- (en)Friedlander G., Kennedy J.W. and Miller J.M. (1964)Nuclear and Radiochemistry(2nd edition), Wiley,p.22–23 and 38–39
- En effet le proton et le neutron sont considérés comme « particules élémentaires » jusqu'aux années 1960, lorsqu'on admettra que le proton et le neutron sont composés de troisquarkschaque.
- Jean-Louis DestouchesÉtat actuel de la théorie du neutron, Paris, 1932
Voir aussi
[modifier|modifier le code]Articles connexes
[modifier|modifier le code]Liens externes
[modifier|modifier le code]- « Neutron: pas si neutre »,La Méthode scientifique,France Culture, 16 novembre 2021.
- [PDF](fr)Élémentaireno2(Revue d'information scientifique de l'IN2P3,duLAL,duP2Iet dusynchrotron SOLEILsur le neutron).
- [PDF](en)Caractéristiques du neutron(Particle Data Group)
- (en)Neutronsources.org(Site d'informations sur les sources de neutrons)
- (en)NMI3 - Integrated Infrastructure Initiative of Neutron scattering and Muon Spectroscopy(Projet de la commission européenne)
