Neutron

Neutron
Représentation schématique de la composition en quarks d'un neutron, avec deux quarks d et un quark u. L'interaction forte est transmise par des gluons (représentés ici par un tracé sinusoïdal). La couleur des quarks fait référence aux trois types de charges de l'interaction forte : rouge, verte et bleue. Le choix de couleur effectué ici est arbitraire, la charge de couleur circulant à travers les trois quarks.
Propriétés générales
Classification	Particule composite (baryon)
Composition	1 quarks u 2 quarks d
Famille	Fermion
Groupe	Baryon (nucléon)
Interaction(s)	Forte, faible, gravitation
Symbole	n, n0
Antiparticule	Antineutron
Propriétés physiques
Masse	939,565 MeV.c-2 (1,67494×10-27 kg)
Charge électrique	0 C
Moment dipôlaire	<2,9×10−26 e.cm
Polarisabilité électrique	1,16(15)×10−3 fm3
Moment magnétique	−1,9130427(5) μN
Polarisabilité magnétique	3,7(20)×10−4 fm3
Charge de couleur	0
Spin	½
Isospin	½
Parité	+1
Durée de vie	885,7 ± 0,8 s
Historique
Prédiction	Ernest Rutherford (1920)
Découverte	1932
Découvreur	James Chadwick

Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.

Les neutrons sont présents dans le noyau des atomes, éventuellement liés avec des protons par l'interaction forte. Si le nombre de protons d'un noyau détermine son élément chimique, le nombre de neutrons détermine son isotope. 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. Les neutrons libres sont produits dans les opérations de fission et de fusion nucléaires.

Le neutron n'est pas une particule élémentaire, étant composé de trois autres particules : un quark up et deux quarks down.

Caractéristiques

Description

Le neutron est un fermion de spin ½. Il est composé de trois quarks, ce qui en fait un baryon. Les deux quarks down et le quark up du neutron sont liés par l'interaction forte, transmise par des gluons.

La masse du neutron est égale à environ 1,0086655 u, soit à peu près 939,5653 MeV/c² ou 1,675×10⁻²⁷ kg^[1]. Le neutron est 1,0014 plus massif que le proton. Sa charge électrique est très exactement nulle, étant égale à la somme des charges électriques de ses quarks : celle du quark up vaut 2/3e et celle de chaque quark down vaut −1/3e.

Tout comme le proton, le neutron est un nucléon et peut être lié à d'autres nucléons par la force nucléaire à l'intérieur d'un noyau atomique. Le nombre de protons d'un noyau (son numéro atomique, noté Z) détermine les propriétés chimiques de l'atome et donc quel élément chimique il représente ; le nombre de neutrons détermine en revanche l'isotope de cet élément. Le nombre de masse (noté A) est le nombre total de nucléons du noyau.

Le modèle standard de la physique des particules prédit une légère séparation des charges positive et négative à l'intérieur du neutron, conduisant à un moment dipolaire électrique permanent^[2]. La valeur prédite est cependant trop petite pour être mesurée avec les instruments actuels.

Le neutron possède une antiparticule, l'antineutron.

En utilisant l'hypothèse de de Broglie, l'énergie d'un neutron (en meV) est reliée à sa longueur d'onde (en Å=1×10^-10 m) par

Stabilité

Diagramme de Feynman de la désintégration bêta d'un neutron en un proton, un électron et un antineutrino électrique par l'intermédiaire d'un boson W.

Selon les contraintes du modèle standard de la physique des particules, comme le neutron est composé de trois quarks, son seul mode de désintégration possible (sans modifier le nombre baryonique) suppose le changement de saveur d'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'un boson W ; de cette façon, le neutron se désintègre en un proton (qui contient un quark down et deux quarks up), un électron et un antineutrino électronique.

À l'extérieur d'un noyau atomique, le neutron libre est instable et sa durée de vie moyenne est de 885,7 s (soit un peu moins de 15 minutes ; la demi-vie correspondante est de 613,9 s, soit un peu plus de 10 minutes)^[1]. Il se désintègre suivant le processus décrit ci-dessus. Ce processus, nommé désintégration bêta, peut également transformer un neutron à l'intérieur d'un noyau atomique instable.

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'un positron (un antiélectron) et d'un neutrino électronique.

Dans un noyau atomique, l'instabilité du neutron est contre-balancée 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.

Radioactivité

La radioactivité produit des neutrons libres. Ces neutrons peuvent être absorbés par les noyaux d'autres atomes qui peuvent alors devenir instables. Ils peuvent aussi provoquer une fission nucléaire par collision avec un noyau lourd fissile (plutonium 239, uranium 235,...).

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 des particules alpha ou d'autres neutrons, fission du noyau, etc.), produisant chacune des rayonnements ionisants. À ce titre, les neutrons sont considérés comme un rayonnement ionisant, soit un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse.

Historique

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.

En 1930, en Allemagne, W. Bothe et H. Becker, spécialistes du rayonnement cosmique observent que des éléments légers, bombardés par des particules alpha (α), émettent des rayons « ultra pénétrants » qu’ils supposent être des rayons gamma beaucoup plus énergiques que ceux émis par des noyaux radioactifs ou accompagnant les transmutations nucléaires.

En 1931, en France, Irène et Frédéric Joliot-Curie intrigués 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’un effet Compton entre des gamma dont ils estiment l’énergie à environ 50 MeV (une énergie très élevée pour l’époque) et de l’hydrogène.

En 1932, en Angleterre, aussitôt ces résultats parus, James Chadwick fait un test confirmant les résultats et va plus loin et mesurant avec précision l’énergie des noyaux projetés en utilisant la réaction nucléaire ⁴He(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 de Cambridge, dirigé par Ernest Rutherford que le neutron ait été découvert. Depuis 1920, Rutherford, en effet, avait émis l’hypothèse de l’existence du neutron.

James Chadwick fut l’assistant de Rutherford et l’un de ses plus brillants disciples. Ce fut le 3 juin 1920 qu’il entendit Rutherford, dans le cercle des habitués des Bakerian Lectures de la Royal 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’étant pas sujet aux répulsions électriques que subissaient les protons et les particules alpha, devait 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.

Plus tard, apprenant que le prix Nobel avait été décerné à Chadwick pour la découverte du neutron, Rutherford dira, selon Emilio 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 ! »

Détection

Applications

Les neutrons sont utilisés pour la diffusion 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 par diffraction. Un autre avantage des neutrons réside dans leur sensibilité magnétique due à leur spin, ce qui permet d'étudier la structure magnétique des matériaux. La spectroscopie neutronique permet d'étudier d'une manière unique les excitations des corps, comme les phonons, les vibrations atomiques et les magnons. Les neutrons sont également utilisés pour radiographier des objets spéciaux (éléments pyrotechniques de moteurs fusée par exemple, ou encore barres de combustible irradié). On parle dans ce cas de neutronographie. Dans ces utilisations, le rayonnement neutronique est complémentaire des rayons X.

Les neutrons sont également utilisés pour leur aptitude à provoquer des réactions nucléaires (fissions, capture radiative ou diffusion inélastique). Une application en est le contrôle nucléaire de procédé, qui permet de mesurer quantitativement et qualitativement le contenu de mélanges de matière fissile (uranium, plutonium, actinides mineurs) dans le processus de traitement du combustible usé (usine de La Hague notamment).

Sources

Les sources de neutrons à haut flux sont soit des réacteurs nucléaires dédiés à la production de ce rayonnement, soit des sources de spallation, grands accélérateurs de 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

Australie :

• Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) opère le réacteur historique HIFAR et met en service un des plus modernes centres neutroniques OPAL.

Europe :

• L'institut Laue-Langevin est le plus grand centre du monde autour d'un réacteur neutronique.

Voir aussi

Articles connexes

• Neutronique
• Antineutron
• Physique nucléaire
• Thermalisation des neutrons
• Physique des particules
• Proton
• Neutronthérapie
• Neutronographie
• Neutron thermique

Liens externes

• [PDF] (fr) Élémentaire n°2 (Revue d'information scientifique de l'IN2P3, du LAL, du P2I et du synchrotron Soleil sur le neutron).
• [PDF] (en) Caractéristiques du neutron (Particle Data Group)

Références

• Portail de la physique