Neutron

Neutron
Schématique de la composition en quarks d'un neutron
Propriétés générales
Classification	Fermion
Composition	1 quark u 2 quarks d
Groupe	Baryon (nucléon)
Propriétés physiques
Masse	939,573 MeV.c-2 (1,674 94×10-27 kg)
Charge électrique	0 C
Charge de couleur	0
Spin	½
Durée de vie	878,5 ± 0,8 s
Historique
Découverte	James Chadwick, 1932

Le neutron est une particule subatomique. C'est une particule fondamentale. Elle se retrouve dans le noyau de l'atome. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Pour un atome, on note Z le nombre de protons (que l'on appelle nombre atomique ou numéro atomique), A le nombre de protons + neutrons. Le nombre de neutrons est donc N=A-Z.

Masse du neutron: m_n = 939.56533 ± 0.00004 MeV/c²

Un neutron fait partie des baryons (hadron formé de 3 quarks) et est composé d'un quark de valence up (charge 2/3 e) et de deux quarks de valence down (2 charges de -1/3 e). Du fait de cette structure, le neutron présente un moment magnétique.

Le neutron a été découvert par le physicien anglais James Chadwick en 1932.

[modifier] 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, émettent des rayons « ultra pénétrants Â» 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 alpha + Be → C + n, il peut affirmer que le rayonnement « ultra pénétrant Â» 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 12 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 Segré : « Pour le neutron, c’est Chadwick tout seul. Les Joliot-Curie sont tellement brillants qu’ils le mériteront vite pour quelque chose d’autre ! Â»

[modifier] 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 le noyau.

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, ...), produisant chacune des rayonnements ionisants. A ce titre, les neutrons sont considérés comme un rayonnement ionisant, soit un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse.

[modifier] Application

Les rayons de 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 structures à l'échelle atomique par diffraction. La spectroscopie neutronique permet d'étudier d'une manière unique les excitations des corps, comme les phonons et les vibrations atomiques. Un autre avantage des neutrons réside dans leur sensibilité magnétique. Dans ces utilisations, le rayonnement neutronique est complémentaire des rayons X.

[modifier] 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.

[modifier] 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.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

• Neutronique
• Antineutron
• Physique nucléaire
• Physique des particules
• Proton
• Neutronthérapie
• Neutronographie

[modifier] 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)