Neutron

Un neutron est une particule subatomique, désignée par le symbole n ou n§78§
, caractérisée par l'absence de charge électrique et une masse. dépassant légèrement celle d'un proton. Sa découverte par James Chadwick en 1932 a été un événement crucial, permettant par la suite l'identification de la fission nucléaire en 1938, la construction du premier réacteur nucléaire autonome (Chicago Pile-1, 1942) et le développement de la première arme nucléaire (Trinity, 1945).

Les neutrons résident dans les noyaux atomiques aux côtés d'une quantité comparable de protons. Les éléments chimiques présentant des variations uniquement dans leur nombre de neutrons sont appelés isotopes. Les neutrons libres sont générés en abondance lors des réactions de fission et de fusion nucléaires. Ils jouent un rôle crucial dans la nucléosynthèse stellaire d'éléments chimiques via des processus tels que la fission, la fusion et la capture de neutrons. Les étoiles à neutrons, issues de l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives, sont composées principalement de neutrons, atteignant des densités comparables à celles des noyaux atomiques tout en possédant une masse totale supérieure à celle du Soleil.

Les caractéristiques et les interactions des neutrons sont élucidées par le domaine de la physique nucléaire. Les neutrons ne sont pas classés parmi les particules élémentaires ; chacun est plutôt constitué de trois quarks. Un neutron libre subit une désintégration spontanée en un proton, un électron et un antineutrino, possédant une durée de vie moyenne d'environ 15 minutes.

Le neutron est indispensable à la production d'énergie nucléaire. Les sources de neutrons spécialisées, notamment les générateurs de neutrons, les réacteurs de recherche et les sources de spallation, génèrent des neutrons libres pour des applications dans les expériences d'irradiation et de diffusion de neutrons. Bien que les neutrons libres n'ionisent pas directement les atomes, ils induisent indirectement des rayonnements ionisants, posant ainsi un risque biologique potentiel en fonction de la dose d'exposition. Un flux mineur de « fond de neutrons » naturel de neutrons libres est présent sur Terre, résultant des interactions des rayons cosmiques et de la radioactivité inhérente aux éléments spontanément fissiles dans la croûte terrestre.

Découverte

Le récit entourant la découverte du neutron et de ses caractéristiques est fondamental pour les progrès remarquables de la physique atomique au cours de la première moitié du 20e siècle, culminant avec le développement de la bombe atomique en 1945. Le terme provient de la racine latine neutralis (qui signifie neutre) et du suffixe grec -on, couramment utilisé dans la nomenclature des particules subatomiques, telles que électron et proton. Des mentions du mot neutron apparaissent dans la littérature scientifique dès 1899, dans le cadre de discussions concernant la nature fondamentale de l'atome.

Selon le modèle de Rutherford de 1911, un atome comprenait un petit noyau massif, chargé positivement, entouré d'un nuage considérablement plus grand d'électrons chargés négativement. En 1920, Ernest Rutherford a proposé que le noyau contienne des protons positifs et des particules chargées neutres, posés comme un complexe proton-électron lié. On présumait que les électrons habitaient le noyau car on comprenait que le rayonnement bêta était constitué d'électrons émanant du noyau. Parallèlement à la proposition de Rutherford d'un composite neutre proton-électron, plusieurs autres publications présentaient des hypothèses analogues, et en 1921, le chimiste américain W. D. Harkins désigna formellement cette particule hypothétique comme un « neutron ».

Dans les années 1920, les physiciens postulaient généralement que le noyau atomique était constitué de protons et d'« électrons nucléaires ». Cependant, en 1928, ce modèle était manifestement incompatible avec la théorie quantique naissante. Conformément au principe d'incertitude de Heisenberg de la mécanique quantique, un électron confiné dans un volume de taille nucléaire posséderait une énergie supérieure à l'énergie de liaison du noyau. Une énergie aussi importante impliquait, selon le paradoxe de Klein identifié par Oskar Klein en 1928, qu'un électron échapperait inévitablement au confinement nucléaire. De plus, les caractéristiques observées des atomes et des molécules divergent du spin nucléaire prédit par l’hypothèse proton-électron. Les protons et les électrons présentent un spin intrinsèque de ⁠§23§/§67§⁠ħ, mais les isotopes du même élément possèdent un spin entier ou fractionnaire. Selon l’hypothèse proton-électron, les isotopes comprendraient un nombre identique de protons mais des quantités variables de « particules » neutres et liées proton-électron. Ce cadre conceptuel présentait une contradiction, car aucune configuration de spins d'électrons et de protons dans un état lié ne pouvait produire un spin fractionnaire.

En 1931, Walther Bothe et Herbert Becker ont observé que le rayonnement des particules alpha du polonium, lorsqu'il était dirigé vers le béryllium, le bore ou le lithium, générait une forme de rayonnement exceptionnellement pénétrante. Compte tenu de son insensibilité aux champs électriques, Bothe et Becker ont initialement émis l’hypothèse que ce rayonnement était des rayons gamma. Cependant, l'année suivante, Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot-Curie à Paris ont démontré que ce prétendu rayonnement « gamma », en frappant de la paraffine ou d'autres composés hydrogénés, éjectait des protons de haute énergie. Ernest Rutherford et James Chadwick, travaillant au laboratoire Cavendish à Cambridge, ne sont pas convaincus par l'explication des rayons gamma. Chadwick a rapidement mené une série d'expériences qui ont révélé de manière concluante que le nouveau rayonnement comprenait des particules non chargées possédant une masse approximativement équivalente à celle d'un proton. Ces caractéristiques correspondent précisément aux propriétés du neutron, une particule précédemment émise par Rutherford. Pour cette découverte révolutionnaire, Chadwick a reçu le prix Nobel de physique en 1935.

Suivant cela, Werner Heisenberg et d'autres scientifiques ont rapidement formulé des modèles du noyau atomique composé de protons et de neutrons. Ce modèle proton-neutron a résolu avec succès l’énigme des spins nucléaires. En 1934, Enrico Fermi a élucidé la genèse du rayonnement bêta à travers le processus de désintégration bêta, dans lequel un neutron se transforme en proton en émettant un électron et un neutrino, qui était alors une particule non confirmée. La première mesure précise de la masse du neutron a été rapportée en 1935 par Chadwick et son doctorant, Maurice Goldhaber.

En 1934, Fermi avait initié la radioactivité des éléments plus lourds en les bombardant de neutrons. En 1938, Fermi reçut le prix Nobel de physique « pour ses démonstrations de l'existence de nouveaux éléments radioactifs produits par irradiation neutronique et pour sa découverte connexe des réactions nucléaires provoquées par les neutrons lents ». Par la suite, en décembre 1938, Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann firent la découverte cruciale de la fission nucléaire, un processus impliquant la fragmentation des noyaux d'uranium en éléments plus légers, déclenché par un bombardement de neutrons. Hahn reçut plus tard le prix Nobel de chimie en 1945 « pour sa découverte de la fission des noyaux atomiques lourds ».

La profonde découverte de la fission nucléaire a finalement ouvert la voie au développement de l'énergie nucléaire et de la bombe atomique à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Les scientifiques ont rapidement compris que si un seul événement de fission générait des neutrons, ces neutrons pourraient, à leur tour, provoquer des événements de fission ultérieurs, déclenchant ainsi un processus en cascade appelé réaction nucléaire en chaîne. Cette compréhension et ces découvertes ont abouti à la construction par Enrico Fermi de la Chicago Pile-1 à l'Université de Chicago en 1942, marquant la création du premier réacteur nucléaire autonome au monde. À peine trois ans plus tard, le projet Manhattan a mené avec succès l'essai nucléaire de Trinity en juillet 1945, faisant exploser la première bombe atomique.

Occurrence

Noyau atomique

Un noyau atomique est constitué d'une quantité spécifique de protons, notée Z (le numéro atomique), et d'une quantité spécifique de neutrons, désignée par N (le nombre de neutrons), maintenus ensemble par la forte force nucléaire. Les protons et les neutrons possèdent une masse d’environ un dalton. Alors que le numéro atomique dicte les propriétés chimiques d'un atome, le nombre de neutrons définit son isotope ou nucléide. Bien que les termes « isotope » et « nucléide » soient fréquemment utilisés de manière interchangeable, ils font spécifiquement référence respectivement aux propriétés chimiques et nucléaires. Les isotopes sont définis comme des nucléides partageant le même numéro atomique mais différant par leur nombre de neutrons. À l’inverse, les nucléides ayant un nombre de neutrons identique mais un numéro atomique distinct sont appelés isotones. Le nombre de masse atomique, A, est calculé comme la somme des nombres atomique et neutronique. Les nucléides qui partagent le même numéro de masse atomique mais dont le nombre atomique et le nombre de neutrons varient sont appelés isobares. Fondamentalement, la masse d’un noyau est invariablement légèrement inférieure à la masse combinée de ses protons et neutrons constitutifs ; ce déficit de masse correspond à l'énergie de liaison nucléaire, qui est l'énergie nécessaire pour désassembler le noyau.

Le noyau de l'isotope de l'hydrogène le plus répandu (représenté par le symbole chimique ¹H) est constitué uniquement d'un seul proton. En revanche, les noyaux des isotopes les plus lourds de l'hydrogène, le deutérium (D ou ²H) et le tritium (T ou §45§H), comprennent respectivement un proton lié à un et deux neutrons. Tous les autres noyaux atomiques sont fondamentalement composés de deux protons ou plus ainsi que de quantités variables de neutrons. Par exemple, le nucléide le plus courant de l'élément plomb, le ²⁰⁸Pb, contient 82 protons et 126 neutrons. Le tableau complet des nucléides énumère tous les nucléides identifiés. Bien qu'il ne soit pas classé comme élément chimique, le neutron est néanmoins intégré à ce tableau.

Les protons et les neutrons présentent un comportement presque identique sous l'influence de la force nucléaire au sein du noyau. Par conséquent, ils sont collectivement désignés sous le nom de nucléons. Le cadre théorique de l'isospin, qui conceptualise les protons et les neutrons comme deux états quantiques distincts d'une seule particule, facilite la modélisation des interactions nucléoniques médiées par les forces nucléaires ou faibles.

Les neutrons sont des composants essentiels de tout noyau atomique comprenant plus d'un proton. En raison de leurs charges positives, les protons en interaction subissent une répulsion électromagnétique mutuelle qui surpasse leur interaction nucléaire attractive, rendant les noyaux composés uniquement de protons intrinsèquement instables. Dans le noyau, les neutrons établissent des liaisons avec les protons et avec d'autres neutrons grâce à la force nucléaire, atténuant ainsi efficacement les forces répulsives entre les protons et améliorant la stabilité nucléaire. Les noyaux de masse importante possèdent une charge positive considérable, nécessitant des neutrons supplémentaires pour maintenir leur stabilité.

Bien qu'un neutron libre présente une instabilité et qu'un proton libre reste stable, les neutrons atteignent fréquemment la stabilité au sein des noyaux atomiques, tandis que les protons deviennent parfois instables. Les nucléons, lorsqu'ils sont confinés dans un noyau, sont susceptibles de se désintégrer via le mécanisme de désintégration bêta. Conformément au modèle de la coque nucléaire, les neutrons et les protons contenus dans un noyau constituent un système mécanique quantique. Au sein d’un nucléide donné, les protons et les neutrons sont disposés en niveaux d’énergie hiérarchiques distincts, chacun caractérisé par des nombres quantiques uniques. La désintégration intranucléaire des nucléons n’est autorisée que si elle est conforme aux principes fondamentaux de conservation de l’énergie et aux limitations de la mécanique quantique. Au cours d'une telle désintégration, les particules émises, qui constituent les produits de désintégration, dissipent l'excès d'énergie lorsqu'un nucléon passe d'un état d'énergie quantique supérieur à un état d'énergie quantique inférieur, transformant simultanément un neutron en proton ou vice versa.

Pour qu'un neutron subisse une désintégration, le proton résultant doit occuper un état d'énergie disponible inférieur à l'état initial du neutron. Dans les noyaux stables, tous les états potentiels d’énergie inférieure sont entièrement occupés, chaque état abritant une paire de protons, l’un possédant une spin-up et l’autre une spin-down. Par conséquent, lorsque tous les états accessibles du proton sont remplis, le principe d’exclusion de Pauli interdit la transformation d’un neutron en proton. Ce phénomène est parallèle au comportement des électrons atomiques, où le principe d'exclusion empêche les électrons résidant dans des orbitales atomiques distinctes de se désintégrer dans des états énergétiques inférieurs et déjà occupés. La stabilité inhérente de la matière découle directement de ces contraintes fondamentales.

La désintégration intranucléaire d'un neutron est illustrée par l'isotope du carbone 14, qui contient 6 protons et 8 neutrons. Caractérisé par un excès de neutrons, cet isotope subit une désintégration bêta, se transformant en azote-14 (comprenant 7 protons et 7 neutrons), un processus avec une demi-vie approximative de 5 730 ans. L'azote 14 est un nucléide stable.

Neutron libre

Les neutrons sont fortement liés aux noyaux atomiques, ce qui nécessite des énergies de l'ordre du mégaélectronvolt (MeV) pour leur libération. Une fois libérés, les neutrons libres se désintègrent généralement en quinze minutes environ. Par conséquent, les neutrons libres sont considérablement moins répandus que les autres constituants atomiques ; par exemple, les électrons sont libérés lors du chauffage du filament d’une ampoule et les protons sont libérés lors de la combustion rapide de l’hydrogène gazeux. De plus, une fois libérés, par exemple, dans un réacteur nucléaire, ces neutrons électriquement neutres présentent des défis en termes de direction, de confinement et de détection.

Le neutron possède un rayon carré moyen d'environ 0,8×10⁻¹⁵ m, ou 0,8 fm, et est classé comme un spin-⁠§1415§/§1819§⁠ fermion. Notamment, le neutron ne présente aucune charge électrique mesurable. Contrairement au proton, qui est directement affecté par les champs électriques en raison de sa charge positive, le neutron reste imperméable à ces champs. Néanmoins, le neutron possède un moment magnétique, le rendant sensible à l’influence des champs magnétiques. Les caractéristiques détaillées du neutron sont élaborées dans la section suivante « Propriétés intrinsèques ».

Dineutrons et tétranutrons

On suppose que le dineutron existe en tant que constituant au sein des noyaux ¹⁶Be riches en neutrons et en tant qu'état non lié caractérisé par des durées de vie inférieures à 10⁻²² secondes. Les premières preuves étayant l'existence de cet état ont été présentées par Haddock et al. en 1965.

Les observations d'amas non liés comprenant quatre neutrons, appelés tétraneutrons, apparaissant sous forme de résonances lors de la désintégration des noyaux de béryllium-14, dans les interactions ⁸He–⁸Be, et lors des collisions de ⁴ noyaux He, indiquent une durée de vie estimée à environ 10⁻²² secondes. De telles découvertes devraient améliorer considérablement la compréhension des forces nucléaires.

Étoiles à neutrons et matière neutronique

Dans des conditions de pression et de température extrêmes, on suppose que les nucléons et les électrons se condensent en une forme dense de matière connue sous le nom de matière neutronique. On suppose que ce phénomène se produit dans les étoiles à neutrons.

L'immense pression qui prévaut dans une étoile à neutrons pourrait induire une déformation des neutrons dans une symétrie cubique, facilitant ainsi un arrangement plus compact de ces particules.

Composition

Selon le cadre théorique du modèle standard de la physique des particules, un neutron est constitué de deux quarks down, chacun possédant une charge de −⁠§34§/§78§⁠e, et d'un quark up, qui porte une charge de +⁠§1718§/§2122§⁠e. Par conséquent, le neutron est classé comme une particule composite, plus précisément un hadron. De plus, sa composition de trois quarks de valence conduit à sa classification comme baryon. La taille mesurable et le moment magnétique intrinsèque du neutron prouvent qu'il s'agit d'une entité composite plutôt que d'une particule élémentaire.

Les quarks constituants d'un neutron sont liés par la force forte, qui est médiée par les gluons. La force nucléaire elle-même résulte des effets résiduels de cette interaction forte plus fondamentale.

La seule voie de désintégration autorisée pour un neutron, cohérente avec la conservation du nombre de baryons, implique un changement de saveur de l'un de ses quarks à travers l'interaction faible, médiée par la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Plus précisément, le quark down d'un neutron peut se transformer en quark up plus léger via l'émission d'un boson W. Ce processus, qui constitue l'explication de la désintégration bêta du modèle standard, aboutit à la désintégration du neutron en un proton (composé d'un quark down et de deux quarks up), d'un électron et d'un antineutrino électronique.

À l'inverse, la désintégration d'un proton en neutron se déroule par un mécanisme analogue impliquant la force faible. Cette transformation implique la désintégration d'un quark up dans le proton en un quark down, facilitée par l'émission d'un boson W. Le proton se désintègre ainsi en un neutron, un positron et un neutrino électronique. Cette réaction particulière n'est énergétiquement réalisable que lorsqu'elle se produit dans un noyau atomique qui possède un état quantique de plus faible énergie disponible pour le neutron nouvellement formé.

Dégradation bêta

Au sein d'un noyau atomique, les neutrons et les protons présentent des comportements analogues et peuvent s'interconvertir via des réactions nucléaires similaires. Ces processus sont classés comme une forme de désintégration radioactive appelée désintégration bêta. La désintégration bêta, qui englobe à la fois la transformation des neutrons en protons et inversement, est médiée par la force faible et nécessite l'émission ou l'absorption d'électrons et de neutrinos, ou de leurs antiparticules respectives. Les réactions de désintégration fondamentales des neutrons et des protons sont présentées comme suit :

n§45§
→ p⁺
+ e⁻
+ ν
_e

où p⁺
, e⁻
et ν
_e représentent respectivement le proton, l'électron et l'antineutrino électronique comme produits de désintégration ; et

p⁺
→ n§1516§
+ e⁺
+ ν
_e

où n§34§
, e⁺
et ν
_e représentent respectivement le neutron, le positron et le neutrino électronique comme la désintégration résultante produits.

Les électrons et les positrons générés au cours de ces réactions sont historiquement appelés particules bêta, symbolisées respectivement par β⁻ ou β⁺, ce qui donne son nom au processus de désintégration. Il est crucial de noter que dans ces réactions, la particule initiale n'est pas simplement composée des particules de produit résultantes ; au lieu de cela, les particules de produit sont créées instantanément au moment de la réaction.

Les réactions de désintégration bêta peuvent également se manifester par la capture d'un lepton par un nucléon. Plus précisément, la transformation d'un proton en neutron au sein d'un noyau atomique peut être réalisée via la capture d'électrons, comme suit :

p⁺
+ e⁻
→ n§2627§
+ ν
_e

Une réaction moins courante, connue sous le nom de désintégration bêta inverse, implique la capture d'un neutrino par un nucléon. Encore plus rarement, la capture de positons par les neutrons peut avoir lieu dans les conditions de température extrêmement élevée caractéristiques des intérieurs stellaires.

Propriétés

Masse

En raison de son absence de charge électrique, la masse d'un neutron ne peut pas être directement déterminée par spectrométrie de masse. Cependant, comme les masses d'un proton et d'un deuton sont mesurables par spectrométrie de masse, la masse du neutron peut être déduite. Cette déduction consiste à soustraire la masse du proton à celle du deutéron, la différence résultante représentant la masse du neutron combinée à l'énergie de liaison du deutérium, exprimée sous forme d'énergie émise positive. Cette énergie de liaison (${\displaystyle B_{d}}$) est directement quantifiable en mesurant l'énergie du photon gamma unique 2,224 MeV libéré lorsqu'un deuton se forme à partir d'un proton capturant un neutron, un processus exothermique qui se produit avec des neutrons d'énergie nulle. L'énergie cinétique de recul mineure (${\displaystyle E_{rd}}$) du deuton, qui constitue environ 0,06% de l'énergie totale, doit également être intégré dans le calcul. La formule pour cette détermination est : $${\displaystyle m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}}$$

L'énergie des rayons gamma peut être mesurée avec précision à l'aide de techniques de diffraction des rayons X, une méthode mise en œuvre pour la première fois par Bell et Elliot en 1948. Les valeurs contemporaines les plus précises de la masse des neutrons dérivées de cette technique, publiées par Greene et al. en 1986, indique une masse de neutrons de :

m_neutron = 1,00866491606(40) Da‍

La valeur de masse des neutrons exprimée en MeV est déterminée avec une précision moindre, principalement en raison de la précision réduite du facteur de conversion établi de Daltons (Da) en MeV/c² :

m_neutron = 939,56542194(48) MeV/c§13_14§‍

Une approche alternative pour déterminer la masse du neutron consiste à analyser sa désintégration bêta, en particulier en mesurant l'impulsion du proton et de l'électron résultants.

Tourner

Le neutron est classé comme une particule de spin ⁠§34§/§78§⁠, ce qui signifie sa nature de fermion possédant un moment cinétique intrinsèque équivalent à ⁠§1516§/§1920§⁠ ħ, où ħ désigne la constante de Planck réduite. Pendant une période considérable après sa découverte, la rotation précise du neutron est restée incertaine. Alors qu'il était généralement présumé qu'il s'agissait d'une particule de spin ⁠§3132§/§3536§⁠ Particule de Dirac, la possibilité qu'il s'agisse d'une particule de Dirac la particule spin ⁠§4344§/§4748§⁠ a persisté. La détermination définitive du spin du neutron a été obtenue en exploitant les interactions entre son moment magnétique et un champ magnétique externe. En 1949, Hughes et Burgy ont mené des expériences impliquant des neutrons réfléchis par un miroir ferromagnétique, observant une distribution angulaire des réflexions cohérente avec un spin ⁠§5556§/§5960§⁠. Par la suite, en 1954, Sherwood, Stephenson et Bernstein ont utilisé une expérience Stern-Gerlach, employant un champ magnétique pour séparer les états de spin des neutrons. Leurs découvertes ont révélé deux états de spin distincts, confirmant ainsi le neutron comme un spin ⁠§6768§/§7172§⁠ particule.

En tant que fermion, le neutron adhère au principe d'exclusion de Pauli, qui dicte qu'aucun neutron ne peut occuper des états quantiques identiques. Ce principe est fondamental dans la pression de dégénérescence qui s'oppose à l'effondrement gravitationnel des étoiles à neutrons, empêchant ainsi leur transformation en trous noirs.

Moment magnétique

Malgré sa neutralité électrique, le neutron possède un moment magnétique non nul. Bien qu’insensible aux champs électriques, le neutron est sensible aux champs magnétiques. La mesure directe initiale du moment magnétique du neutron a été réalisée par Luis Alvarez et Felix Bloch à Berkeley, en Californie, en 1940. Ils ont établi le moment magnétique du neutron comme μ_n= −1.93(2) μ_N, où μ_N désigne le magnéton nucléaire. Le signe négatif du moment magnétique du neutron indique une orientation contraire à son spin.

Le moment magnétique du neutron sert d'indicateur de sa distribution de charge interne et de la sous-structure sous-jacente des quarks. Dans le modèle des quarks hadroniques, un neutron comprend un quark up (portant une charge de +2/3 e) et deux quarks down (chacun avec une charge de -1/3 e). Le moment magnétique du neutron peut être conceptualisé comme l’ensemble des moments magnétiques des quarks qui le constituent. Ce calcul postule que les quarks se comportent comme des particules de Dirac ponctuelles, chacune dotée d'un moment magnétique intrinsèque. Plus simplement, le moment magnétique du neutron peut être compris comme la somme vectorielle des moments magnétiques des trois quarks, augmentée par les moments magnétiques orbitaux générés par le mouvement de ces quarks chargés dans le neutron.

Une des premières réalisations notables du modèle standard s'est produite en 1964 lorsque Mirza A.B. Beg, Benjamin W. Lee et Abraham Pais ont calculé le rapport entre les moments magnétiques des protons et des neutrons comme étant de −3/2 (équivalent à −1,5). Cette prédiction théorique a démontré un accord avec la valeur expérimentale à 3 % près. Le rapport déterminé empiriquement est −1,45989805(34).

Cette analyse comparative des neutrons et des protons facilite l'isolement des comportements complexes des quarks dans différents modèles, permettant ainsi une enquête sur les implications des différentes charges ou types de quarks. De tels calculs démontrent suffisamment que la structure interne des neutrons ressemble beaucoup à celle des protons, la principale distinction étant une différence de composition où un quark down dans le neutron se substitue à un quark up dans le proton.

Un calcul approximatif du moment magnétique du neutron peut être effectué en posant une fonction d'onde mécanique quantique non relativiste simplifiée pour les baryons comprenant trois quarks. Cette approche informatique directe donne des estimations raisonnablement précises des moments magnétiques des neutrons, des protons et des autres baryons. Spécifiquement pour un neutron, ce calcul aboutit à ce que son moment magnétique soit exprimé comme μ_n = 4/3 μ_d − 1/3 μ_u, où μ_d et μ_u représentent respectivement les moments magnétiques des quarks down et up. Ce résultat intègre les moments magnétiques intrinsèques et orbitaux des quarks, fondés sur l'hypothèse que les trois quarks occupent un état quantique dominant spécifique.

Bien que les résultats de ce calcul soient prometteurs, ils reposent sur l'hypothèse selon laquelle les masses des quarks up et down constituent un tiers de la masse d'un nucléon. En réalité, la masse des quarks ne représente qu’environ 1 % de la masse d’un nucléon. Cette disparité résulte de la nature complexe du modèle standard des nucléons, dans lequel la majorité de leur masse provient des champs de gluons, des particules virtuelles et de leur énergie associée, qui sont des composants fondamentaux de la force forte. De plus, le système complexe de quarks et de gluons formant un neutron nécessite une approche relativiste. Néanmoins, le moment magnétique du nucléon a été calculé numériquement à partir de principes fondamentaux, intégrant tous les effets mentionnés ci-dessus et utilisant des valeurs de masse des quarks plus précises. Ce calcul a donné des résultats qui présentaient une concordance raisonnable avec les mesures expérimentales, bien qu'exigeant des ressources informatiques substantielles.

Charge électrique

La charge électrique totale du neutron est 0 e. Cette valeur nulle a été vérifiée empiriquement, avec la limite supérieure expérimentale actuelle pour la charge du neutron établie comme −2(8)×10⁻²² e, ou −3(13)ק2021§−41 C. Cette mesure s'aligne sur une charge nulle, compte tenu des incertitudes expérimentales indiquées entre parenthèses. En revanche, le proton porte une charge de +1 e.

Moment dipolaire électrique

Le modèle standard de la physique des particules postule une infime séparation entre les charges positives et négatives au sein du neutron, ce qui entraînerait un moment dipolaire électrique (EDM) permanent. Cependant, la valeur prévue est considérablement inférieure aux capacités de détection actuelles des configurations expérimentales. De nombreuses questions non résolues en physique des particules indiquent que le modèle standard ne constitue pas une description complète et définitive de toutes les particules et de leurs interactions fondamentales. À l’inverse, les nouveaux cadres théoriques allant au-delà du modèle standard prévoient généralement des EDM à neutrons beaucoup plus grands. Actuellement, au moins quatre expériences distinctes tentent de réaliser la première mesure d'un moment dipolaire électrique fini d'un neutron, notamment :

• Une expérience d'EDM cryogénique à neutrons en cours de réalisation à l'Institut Laue–Langevin.
• L'expérience n2EDM, en cours de construction à la source de neutrons ultrafroids (UCN) située à l'Institut Paul Scherrer.
• Une expérience nEDM en cours de conceptualisation pour être mise en œuvre à la source de neutrons de spallation.
• Une autre expérience nEDM actuellement en construction à l'Institut Laue–Langevin.

Antineutron

L'antineutron représente la contrepartie antiparticulaire du neutron. Sa découverte a été faite par Bruce Cork en 1956, environ un an après l'identification de l'antiproton. Les neutrons possèdent un nombre de baryon de 1, tandis que les antineutrons sont caractérisés par un nombre de baryon de -1. Alors que toutes les interactions de particules observées adhèrent à la conservation du nombre de baryons, la prédominance cosmique de la matière sur l'antimatière implique l'existence d'un mécanisme capable de modifier le nombre de baryons. Les oscillations neutron-antineutron ont été proposées comme l'un de ces mécanismes, potentiellement susceptibles d'être détectés expérimentalement. Une limite inférieure pour la période d'oscillation, établie à 0,86 x 10⁸ secondes (avec un niveau de confiance de 90 %), a été dérivée d'expériences utilisant des neutrons froids. L'application de neutrons ultra-froids pourrait potentiellement améliorer la sensibilité de détection d'un facteur de 10 à 40, en fonction du modèle spécifique décrivant la réflexion des neutrons sur les murs de confinement.

Détection

L'approche conventionnelle de détection de particules chargées, qui implique l'observation d'une trace d'ionisation (par exemple dans une chambre à brouillard), n'est pas directement applicable aux neutrons. Même si les neutrons peuvent induire des traces d'ionisation détectables par diffusion élastique avec les atomes, de telles expériences sont souvent complexes à réaliser. Par conséquent, les méthodes de détection des neutrons les plus répandues reposent sur leurs interactions avec les noyaux atomiques. Ces techniques couramment utilisées pour la détection des neutrons peuvent donc être classées en fonction des processus nucléaires sous-jacents, principalement la capture des neutrons ou la diffusion élastique.

Détection de neutrons par capture de neutrons

Une méthode largement utilisée pour la détection des neutrons consiste à convertir l'énergie libérée lors des réactions de capture de neutrons en signaux électriques mesurables. Des nucléides spécifiques présentent une section efficace de capture de neutrons élevée, qui quantifie la probabilité d'absorber un neutron. Après la capture des neutrons, le noyau composé résultant émet un rayonnement plus facilement détectable, comme une particule alpha, qui est ensuite enregistrée. Nuclides dont ³
He, §14_15§
Li, §2526§
B, ²³³
U, ²³⁵
U, ²³⁷
Np et ²³⁹
Pu sont particulièrement efficaces pour cette application.

Détection de neutrons par diffusion élastique

Les neutrons peuvent subir une diffusion élastique avec les noyaux atomiques, entraînant le recul du noyau frappé. D'un point de vue cinématique, un neutron est capable de transférer une plus grande quantité d'énergie à un noyau léger, comme l'hydrogène ou l'hélium, qu'à un noyau plus lourd. Les détecteurs fonctionnant selon ce principe sont appelés détecteurs de neutrons rapides. Ces noyaux en recul peuvent ensuite ioniser et exciter des atomes supplémentaires via des processus de collision. La lumière de charge et/ou de scintillation générée par ces interactions peut être collectée pour produire un signal détectable. Un défi important dans la détection de neutrons rapides consiste à différencier ces signaux des signaux parasites produits par le rayonnement gamma au sein du même détecteur. Des techniques telles que la discrimination de forme d'impulsion peuvent être utilisées pour distinguer les signaux de neutrons des signaux de rayons gamma, bien que certains détecteurs inorganiques basés sur des scintillateurs aient été spécifiquement conçus pour détecter sélectivement les neutrons dans des champs de rayonnement mixtes sans nécessiter de méthodes de discrimination supplémentaires.

Les détecteurs de neutrons rapides offrent l'avantage de ne pas nécessiter de modérateur, permettant ainsi de mesurer l'énergie du neutron, son heure d'arrivée et, dans des cas spécifiques, sa direction d'incidence.

Sources et production

Bien qu'ils possèdent la demi-vie la plus longue parmi les particules subatomiques instables, de plusieurs ordres de grandeur, les neutrons libres restent intrinsèquement instables. Leur demi-vie est d'environ 10 minutes, ce qui nécessite leur production continue à partir de sources spécialisées.

Fond naturel de neutrons. Un flux naturel omniprésent, quoique de faible niveau, de neutrons libres est présent sur toute la Terre. Tant dans l'atmosphère que dans les profondeurs des environnements océaniques, ce « fond neutronique » provient des muons générés par les interactions des rayons cosmiques avec les gaz atmosphériques. Ces muons de haute énergie peuvent pénétrer à des profondeurs considérables dans l'eau et le sol, où ils provoquent des réactions de spallation lorsqu'ils heurtent des noyaux atomiques, libérant ainsi des neutrons. Dans la croûte terrestre, une source supplémentaire de neutrons provient principalement de la fission spontanée des isotopes de l'uranium et du thorium présents dans les minéraux de la croûte. Bien que ce fond de neutrons naturel ne pose pas de risque biologique significatif, il est crucial pour les détecteurs de particules à haute résolution conçus pour identifier des événements extrêmement rares, tels que des interactions hypothétiques impliquant des particules de matière noire. Des recherches contemporaines indiquent que même les orages peuvent générer des neutrons dont les énergies atteignent plusieurs dizaines de MeV. D'autres études ont déterminé que la fluence de ces neutrons varie de 10⁻⁹ à 10⁻¹³ par milliseconde par mètre carré, en fonction de l'altitude de détection. L'énergie de la plupart de ces neutrons, même ceux initialement à 20 MeV, diminue généralement jusqu'à atteindre la gamme des keV en une milliseconde.

Un rayonnement de fond neutronique plus intense est observé sur la surface martienne. L'atmosphère martienne, bien que suffisamment dense pour faciliter la génération de neutrons par la production de muons cosmiques et la spallation des neutrons, est en même temps trop ténue pour offrir une protection substantielle contre ces neutrons générés. Par conséquent, ces neutrons présentent un double risque de rayonnement : un rayonnement neutronique direct descendant impactant la surface martienne, et un risque potentiellement important lié aux neutrons réfléchis émanant de la surface, qui pourraient pénétrer vers le haut dans les vaisseaux spatiaux ou les habitats martiens à travers leurs sols. Les réactions nucléaires pratiques impliquent souvent des configurations de laboratoire, telles que le bombardement naturel alpha et gamma de nucléides spécifiques comme le béryllium ou le deutérium, et la fission nucléaire induite, comme observé dans les réacteurs nucléaires. En outre, les réactions nucléaires à haute énergie, caractéristiques des gerbes de rayonnement cosmique ou des collisions avec des accélérateurs de particules, produisent également des neutrons par désintégration des noyaux cibles. Les accélérateurs de particules compacts et de table spécialement conçus à cet effet sont appelés générateurs de neutrons.

Dans les laboratoires, les principales sources de neutrons à petite échelle exploitent la désintégration radioactive pour générer des neutrons. Un radio-isotope émetteur de neutrons notable, le californium-252, subit une fission spontanée environ 3 % du temps, produisant une moyenne de 3,7 neutrons par fission, et est directement utilisé comme source de neutrons via ce mécanisme (avec une demi-vie de 2,65 ans). Les sources de réaction nucléaire alimentées par des radio-isotopes, qui impliquent généralement deux matériaux distincts, utilisent soit une source de désintégration alpha associée à une cible en béryllium, soit une source de rayonnement gamma à haute énergie résultant de la désintégration bêta-gamma. Ce dernier génère des photoneutrons lors de l'interaction de rayons gamma de haute énergie avec du béryllium stable ou avec du deutérium dans l'eau lourde. Un exemple largement utilisé de ce deuxième type est le système antimoine-124/béryllium, possédant une demi-vie de 60,9 jours. Ce système peut être fabriqué en activant de l'antimoine naturel (qui contient 42,8 % d'antimoine 123 stable) avec des neutrons dans un réacteur nucléaire, permettant ensuite son transport vers l'emplacement requis pour la production de neutrons.

Les réacteurs nucléaires à fission génèrent intrinsèquement des neutrons libres, qui sont essentiels au maintien de la réaction en chaîne de production d'énergie. L'important rayonnement neutronique émis par ces réacteurs peut également être exploité pour synthétiser divers radio-isotopes via l'activation neutronique, un processus classé comme une forme de capture de neutrons.

Les réacteurs expérimentaux à fusion nucléaire génèrent des neutrons libres comme sous-produit. Ces neutrons transportent cependant la majorité de l’énergie et leur conversion en une forme utilisable présente un défi technique important. Même si les réacteurs à fusion produisant des neutrons devraient générer des déchets radioactifs, ces déchets sont principalement constitués d'isotopes plus légers activés par les neutrons. Ces isotopes présentent des périodes de désintégration relativement courtes, généralement de 50 à 100 ans, contrairement aux demi-vies d'environ 10 000 ans caractéristiques des déchets de fission, qui sont prolongées principalement par les demi-vies prolongées des actinides transuraniens émetteurs alpha. Par conséquent, certains systèmes hybrides de fusion-fission nucléaire proposés visent à utiliser ces neutrons soit pour alimenter un réacteur sous-critique, soit pour faciliter la transmutation nucléaire de déchets nucléaires dangereux à vie longue en nucléides stables ou à vie plus courte.

Génération et modification de faisceaux de neutrons

Des faisceaux de neutrons libres sont générés à partir de diverses sources de neutrons grâce au processus de transport de neutrons. L'accès aux sources de neutrons de haute intensité nécessite généralement que les chercheurs utilisent des installations neutroniques spécialisées, qui font fonctionner soit des réacteurs de recherche, soit des sources de spallation.

L'absence de charge électrique nette dans les neutrons complique leur pilotage et leur accélération. Bien que les particules chargées puissent être accélérées, décélérées ou déviées à l’aide de champs électriques ou magnétiques, ces techniques ont un impact minimal sur les neutrons. Néanmoins, certains effets peuvent être obtenus grâce à l'application de champs magnétiques inhomogènes, en raison du moment magnétique intrinsèque du neutron. Le contrôle des neutrons peut être exercé via des méthodes telles que la modération, la réflexion et la sélection de la vitesse. Les neutrons thermiques sont capables de se polariser par transmission via des matériaux magnétiques, un processus analogue à l'effet Faraday observé avec les photons. De plus, des neutrons froids, caractérisés par des longueurs d'onde de 6 à 7 angströms, peuvent être générés dans des faisceaux hautement polarisés à l'aide de miroirs magnétiques et de filtres interférentiels magnétisés.

Applications

Énergie nucléaire

En raison de la formidable force de la force nucléaire à courte distance, l'énergie nucléaire qui lie les nucléons dépasse considérablement, de plusieurs ordres de grandeur, l'énergie électromagnétique responsable de la liaison des électrons dans les atomes. Lors de la fission nucléaire, l'absorption d'un neutron par des nucléides lourds spécifiques, tels que l'uranium 235, peut déstabiliser le nucléide, l'amenant à se fragmenter en nucléides plus légers et à libérer des neutrons supplémentaires. Ces nucléides plus légers chargés positivement, appelés « fragments de fission », se repoussent ensuite, libérant ainsi de l'énergie potentielle électromagnétique. Si cette réaction se produit au sein d’une masse de matière fissile, les neutrons libérés déclencheront d’autres événements de fission, déclenchant ainsi un phénomène en cascade connu sous le nom de réaction nucléaire en chaîne. Pour une masse équivalente de matière fissile, ces réactions nucléaires produisent environ dix millions de fois l'énergie produite par un explosif chimique classique. En fin de compte, la capacité de la force nucléaire à stocker de l’énergie, provenant de la répulsion électromagnétique entre les composants nucléaires, est à la base de la grande majorité de l’énergie exploitée dans les réacteurs et les armes nucléaires ; la forme prédominante d'énergie libérée lors de la fission est l'énergie cinétique des fragments de fission.

Les neutrons jouent un rôle essentiel dans de nombreuses réactions nucléaires. Par exemple, la capture de neutrons conduit fréquemment à une activation neutronique, qui induit ensuite une radioactivité. Plus précisément, une compréhension globale des neutrons et de leur comportement a joué un rôle déterminant dans le progrès des réacteurs nucléaires et des armes nucléaires. La fission d'éléments tels que l'uranium 235 et le plutonium 239 est initiée par leur absorption de neutrons.

Autres applications

froid, thermique et chaud trouve une application répandue dans les installations de diffusion de neutrons pour des techniques telles que la diffraction des neutrons, la diffusion des neutrons aux petits angles et la réflectométrie des neutrons. Les ondes de matière à neutrons lents présentent des caractéristiques analogues à l'optique géométrique et ondulatoire de la lumière, englobant des phénomènes tels que la réflexion, la réfraction, la diffraction et l'interférence. Les neutrons offrent une complémentarité aux rayons X, en particulier en ce qui concerne les contrastes atomiques dérivés des sections efficaces de diffusion variables, la sensibilité au magnétisme, la plage d'énergie adaptée à la spectroscopie neutronique inélastique et leur capacité de pénétration profonde dans les matériaux.

Les progrès des « lentilles neutroniques », fondées sur la réflexion interne totale dans des tubes capillaires en verre creux ou sur la réflexion à partir de plaques d'aluminium alvéolées, ont stimulé la recherche continue en microscopie neutronique et en microscopie neutronique et neutron/gamma. tomographie par rayons.

Les neutrons sont principalement utilisés pour induire des émissions de rayons gamma à la fois retardées et rapides à partir des éléments constitutifs des matériaux. Ce principe sous-tend l’analyse par activation neutronique (NAA) et l’analyse par activation neutronique rapide (PGNAA). La NAA est généralement utilisée pour l'analyse de petits échantillons de matériaux dans un réacteur nucléaire, tandis que la PGNAA est plus couramment appliquée à l'analyse des roches souterraines à proximité des forages et aux matériaux industriels en vrac sur des systèmes de convoyeurs.

Les émetteurs de neutrons facilitent également la détection des noyaux légers, en particulier l'hydrogène présent dans les molécules d'eau. Un neutron rapide entrant en collision avec un noyau léger subit une perte d’énergie importante. En quantifiant la vitesse à laquelle les neutrons ralentis reviennent à une sonde après diffusion depuis les noyaux d'hydrogène, une sonde à neutrons peut déterminer la teneur en eau du sol.

Thérapies médicales

En raison de ses propriétés pénétrantes et ionisantes, le rayonnement neutronique présente un potentiel pour des applications médicales. Néanmoins, un inconvénient majeur est sa capacité à induire de la radioactivité dans la zone irradiée. Par conséquent, la tomographie neutronique n'est pas considérée comme une technique de diagnostic médical réalisable.

La thérapie par neutrons rapides utilise des neutrons de haute énergie, dépassant généralement 20 MeV, pour le traitement du cancer. L'efficacité de la radiothérapie contre les tumeurs malignes repose sur la réponse biologique différentielle des cellules aux rayonnements ionisants. L’administration de radiations à doses fractionnées permet aux tissus normaux de récupérer, alors que les cellules tumorales manquent souvent de cette capacité réparatrice. Le rayonnement neutronique est capable de déposer de l'énergie dans une région cancéreuse à un taux d'un ordre de grandeur supérieur à celui du rayonnement gamma.

Des faisceaux de neutrons de faible énergie sont utilisés dans la thérapie par capture de neutrons au bore (BNCT) pour le traitement du cancer. Dans le BNCT, les patients reçoivent un produit pharmaceutique contenant du bore conçu pour s'accumuler préférentiellement dans la tumeur cible. Par la suite, la tumeur est irradiée avec des neutrons de très faible énergie (souvent dépassant l’énergie thermique), qui sont capturés par l’isotope du bore-10. Cet événement de capture génère un état excité de bore-11, qui se désintègre ensuite pour produire du lithium-7 et une particule alpha. Ces particules possèdent suffisamment d’énergie pour éradiquer les cellules malignes tout en ayant une portée insuffisante pour nuire aux cellules saines adjacentes. L'application efficace de cette thérapie nécessite une source de neutrons d'une intensité d'environ un milliard (10⁹) de neutrons par seconde et par cm². Des flux aussi élevés nécessitent généralement un réacteur nucléaire de recherche.

Risques pour la santé

L'exposition aux neutrons libres présente des risques importants, car leur interaction avec des molécules biologiques et des atomes peut induire une perturbation moléculaire et générer des formes de rayonnement secondaires, telles que des protons. Les protocoles standards de radioprotection sont applicables : minimiser l’exposition, maintenir une distance maximale de la source et limiter la durée de l’exposition. Toutefois, des considérations spécifiques sont nécessaires pour le blindage neutronique. Bien que les matériaux à numéro atomique élevé et à haute densité, comme le plomb, constituent des boucliers efficaces contre d’autres types de rayonnements (par exemple, les particules alpha, les particules bêta ou les rayons gamma), cette stratégie est inefficace pour les neutrons. L’absorption des neutrons n’est pas directement corrélée au numéro atomique de la même manière que les autres types de rayonnement. Il faut plutôt considérer les interactions spécifiques des neutrons avec la matière. Par exemple, les matériaux riches en hydrogène sont fréquemment utilisés pour la protection contre les neutrons, car l’hydrogène ordinaire disperse et ralentit efficacement les neutrons. Par conséquent, les blocs de béton basiques ou même les blocs de plastique chargés en paraffine offrent souvent une protection neutronique supérieure à celle des matériaux beaucoup plus denses. Une fois ralentis, les neutrons peuvent alors être absorbés par des isotopes présentant une forte affinité pour les neutrons lents sans induire de rayonnement de capture secondaire, comme le lithium-6.

La présence d'hydrogène dans l'eau ordinaire influence considérablement l'absorption des neutrons dans les réacteurs à fission nucléaire. En règle générale, l’eau normale présente une section efficace d’absorption des neutrons si forte qu’elle nécessite un enrichissement du combustible avec un isotope fissible. (Le rendement en neutrons par événement de fission est principalement déterminé par les produits de fission, qui sont en moyenne d'environ 2,5 à 3,0 ; au moins un neutron, en moyenne, doit échapper à la capture pour entretenir la réaction nucléaire en chaîne.) En revanche, le deutérium, présent dans l'eau lourde, possède une affinité d'absorption des neutrons nettement inférieure à celle du protium (hydrogène léger). Par conséquent, le deutérium est utilisé dans les réacteurs de type CANDU pour modérer la vitesse des neutrons, augmentant ainsi la probabilité de fission nucléaire par rapport à la capture de neutrons.

Température des neutrons

L'énergie des neutrons libres est caractérisée par leur température, qui est décrite par leur distribution de Maxwell-Boltzmann. Par exemple, les neutrons thermiques présentent une énergie cinétique correspondant à kT = 0,0253 eV (4,0×10⁻²¹ J) à température ambiante, ce qui donne une vitesse caractéristique de 2,2 km/s (distincte des vitesses moyennes ou médianes). Dans de nombreux matériaux, les réactions impliquant des neutrons thermiques démontrent une section efficace significativement plus grande que celles impliquant des neutrons plus rapides. Cette section efficace accrue signifie que les neutrons thermiques sont plus facilement absorbés (c'est-à-dire avec une probabilité plus élevée) par les noyaux atomiques lors d'une collision, conduisant à la formation d'un isotope plus lourd et souvent instable de l'élément chimique. Par conséquent, la plupart des réacteurs à fission utilisent un modérateur de neutrons pour décélérer ou thermaliser les neutrons émis lors de la fission nucléaire, facilitant ainsi leur capture et favorisant les événements de fission ultérieurs.

Les neutrons froids et ultra-froids peuvent être générés par des processus de thermalisation impliquant des matériaux cryogéniques. À l'inverse, les neutrons à plus haute température proviennent de réactions de fission et de fusion nucléaires, tandis que les neutrons les plus énergétiques résultent de collisions de rayons cosmiques.

• Rayonnement ionisant
• Liste des particules
• Neutronium
• Nucléosynthèse
  • Nucléosynthèse par capture de neutrons
  • Processus S

Sources de neutrons

• Source de neutrons

• Bombe à neutrons
• Flux de neutrons
• Transport de neutrons
• Références

Références

Byrne, James. Neutrons, noyaux et matière : une exploration de la physique des neutrons lents. Mineola, New York : Dover Publications, 2011. ISBN 0486482383.

• James Byrne, Neutrons, noyaux et matière : une exploration de la physique des neutrons lents. Mineola, New York : Dover Publications, 2011. ISBN 0486482383.
• Pais, Abraham. Vers l'intérieur. Oxford : Oxford University Press, 1986. ISBN 0198519974.
• Tomonaga, Sin-Itiro. L'histoire du spin. Presses de l'Université de Chicago, 1997.
• Schopper, Herwig. Interactions faibles et désintégration bêta nucléaire. Pub de Hollande du Nord. Co., 1966.
• Bibliographie annotée sur les neutrons, disponible auprès de la bibliothèque numérique Alsos pour les questions nucléaires.