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NEUTRON

En 1932, James Chadwick montra que le rayonnement émis par des atomes de béryllium bombardés par des particules 見 est constitué d’objets qui sont dépourvus de charge électrique et dont leur masse est proche de celle du proton. Ces objets furent nommés neutrons. Il devint très vite apparent que les centaines de noyaux atomiques connus des différents éléments chimiques sont composés uniquement de deux particules élémentaires: le proton et le neutron. Cette représentation simple est devenue plus complexe à la lumière des théories modernes des particules élémentaires qui décrivent le proton et le neutron comme des structures plutôt compliquées formées d’éléments en un sens «plus» élémentaires, à savoir les quarks, les gluons et autres composants. Cette structure interne du neutron ne devient pertinente que dans des conditions extrêmes et, tout comme en chimie les atomes peuvent être considérés comme les composants ultimes de la matière, dans l’ensemble des phénomènes nucléaires, y compris la radioactivité et les réactions nucléaires telles que le processus de fusion à l’origine du rayonnement solaire, le neutron est l’un des protagonistes essentiels.

Tous les noyaux atomiques, à l’exception de l’hydrogène, contiennent des neutrons, dont le nombre est, en moyenne, légèrement supérieur à celui des protons. La cohésion des noyaux est assurée par l’interaction forte.

Hors du noyau, le neutron n’est pas stable en tant que particule libre: il subit une désintégration 廓, pour donner un proton, un électron et un antineutrino. Les neutrons peuvent être libérés à partir d’une grande variété de noyaux par bombardement d’autres particules. Dans ces processus, ils sont émis sous forme d’un rayonnement de vitesse plus ou moins grande. En utilisant des matériaux absorbants, le rayonnement peut être bien collimaté en faisceaux dans lesquels les neutrons peuvent voyager aussi lentement qu’un omnibus ou à une vitesse de l’ordre de 10 p. 100 de celle de la lumière (soit 30 000 km/s).

La particularité de la physique des neutrons vient de leur neutralité électrique qui leur permet de traverser des barrières peu transparentes pour des particules chargées ou pour un rayonnement électromagnétique comme les rayons X. De plus, la longueur d’onde et la fréquence associées à un rayonnement de neutrons lents d’environ 20 milliélectronvolts (meV) d’énergie (correspondant à une vitesse d’environ 2 000 m/s) sont semblables aux distances interatomiques et aux fréquences des mouvements atomiques dans les matériaux solides, liquides et biologiques. C’est pourquoi la diffusion des neutrons lents est un outil unique et très utilisé pour l’étude des matériaux à l’échelle atomique. Le faible moment magnétique de ces particules les rend aussi bien adaptées à l’étude du magnétisme atomique.

Du fait de leur neutralité, les neutrons peuvent s’approcher des noyaux atomiques sans être déviés par les forces de Coulomb. Ainsi, ils peuvent facilement déclencher des réactions nucléaires dont la probabilité augmente proportionnellement au temps passé par les neutrons près des noyaux, c’est-à-dire de manière inversement proportionnelle à leur vitesse. L’absorption d’un neutron par un noyau produit un noyau radioactif dont la masse est accrue d’une unité. Ce phénomène sans cesse répété dans les premiers temps de l’Univers a produit les éléments chimiques lourds constituant les planètes. Par ailleurs, le rayonnement 塚 caractéristique émis après l’absorption d’un neutron est aujourd’hui utilisé pour les analyses chimiques d’éléments en quantités minimes (analyse par activation neutronique). Pour quelques matériaux, dont l’uranium, l’absorption de neutrons provoque un type de réaction nucléaire très spéciale, la fission, c’est-à-dire la désintégration du noyau en plusieurs fragments, parmi lesquels des neutrons dotés d’une grande quantité d’énergie cinétique. La réaction en chaîne de fission entretenue par ces neutrons émis est la source d’énergie des centrales nucléaires.

Bien que, sur Terre, les neutrons soient cachés dans les noyaux, il existe, dans l’Univers, de la matière purement neutronique au sein des étoiles. Les astrophysiciens ont identifié des centaines de «pulsars» observés comme étant des étoiles à neutrons, dans lesquels, en l’absence de répulsion coulombienne, la gravité comprime une grande quantité de neutrons, dont la masse est voisine de celle du Soleil en une sphère d’environ 10 kilomètres de rayon et d’une densité extrêmement élevée.

1. Propriétés et structure

Dans le schéma de classification des particules élémentaires, le neutron est un baryon appartenant à la famille des hadrons. Ses principaux nombres quantiques sont les suivants: spin J = 1/2, parité P = 1, isospin I = 1/2, nombre baryonique B = 1, étrangeté S = 0. Ses propriétés ressemblent à celles du proton, si ce n’est que le neutron est électriquement neutre, tandis que le proton porte une charge élémentaire positive e⁺. Ces deux particules, composantes des noyaux atomiques, peuvent être considérées comme deux états différents d’une entité commune, le nucléon.

Charge électrique, masse et durée de vie

La charge électrique du neutron a été étudiée par des méthodes d’une très grande sensibilité et trouvée inférieure à 10 size=1^漣20 e size=1^漣, e size=1^漣 étant la charge de l’électron égale en valeur à celle du proton, mais de signe négatif. Cette borne supérieure a été obtenue à partir d’expériences sur des faisceaux de neutrons libres et par vérification de la neutralité électrique de diverses molécules.

La masse au repos du neutron (mⁿ ), c’est-à-dire la masse de la particule libre à vitesse nulle, a été déterminée avec une grande précision dans les différentes unités utiles à l’échelle atomique:

où u est l’unité de masse atomique. Ne pouvant être mesurée directement, elle est déduite à partir de la masse de noyaux composites d’après la formule:

où Z est la charge du noyau, A le nombre de nucléons, m^p la masse du proton et E^b l’énergie de liaison conduisant à un déficit en masse à travers la relation d’Einstein E = mc ². La détermination la plus précise de la masse du neutron a été obtenue à partir de celle du deutéron (Z = 1, A = 2), dont l’énergie de liaison peut être mesurée très exactement en étudiant sa photodésintégration par irradiation avec des rayons 塚. Elle est environ 0,14 p. 100 supérieure à celle du proton et plus grande que la somme des masses d’un proton et d’un électron. Le neutron libre est, par conséquent, instable vis-à-vis de la désintégration 廓 due à l’interaction faible et sa durée de vie est finie.

La désintégration du neutron libre en un proton, un électron et un antineutrino:

donne la demi-vie du neutron t ^1/2 = 615 ou une durée de vie moyenne 精 = t ^1/2/ln 2 = 888. Cette dernière est importante pour la théorie de la physique des particules et pour la cosmologie. Cependant, sa détermination expérimentale est très difficile et des expériences successives au cours des trente dernières années ont fourni des valeurs incompatibles entre elles. Les résultats les plus récents tendent à donner des valeurs inférieures à celles qui avaient été obtenues antérieurement. Le temps de vie donné ci-dessus, publié en 1989, est le résultat d’une série d’expériences effectuées à l’institut Laue-Langevin à Grenoble. Bien que le neutron soit instable à l’état libre, il devient stable à l’échelle de l’âge de l’Univers dans ce que l’on appelle la matière nucléaire au sein de noyaux stables à cause de l’interaction avec d’autres nucléons.

Spin, moment magnétique dipolaire, moment électrique dipolaire

Une autre propriété importante du neutron est son spin , dont la valeur mesurée en unités usuelles 寮 (constante de Planck) est 1/2. Cela signifie que le neutron est un fermion et qu’il obéit au principe d’explusion de Pauli. Associé au spin, le neutron possède aussi un moment magnétique dipolaire 猪ⁿ , dont la valeur a été déterminée par des expériences de résonance magnétique nucléaire sur des faisceaux de neutrons libres:

où 猪^B et 猪^N sont respectivement le magnéton de Bohr et le magnéton nucléaire. Le signe moins indique que la direction du moment magnétique est parallèle et opposée à celle du spin.

Le moment électrique dipolaire du neutron devrait être nul dans une théorie qui est symétrique par rapport à une inversion de la parité (P) ou du temps (T). On sait que la symétrie relative à l’inversion du temps est violée par la désintégration du méson K^0L; ce qui fait de l’existence et de l’amplitude d’un éventuel moment électrique dipolaire du neutron une question ouverte fondamentale pour la physique des particules. Cette dernière a fait l’objet de nombreuses études au cours des vingt dernières années. Aucun moment électrique dipolaire n’a pu être définitivement détecté, et la limite supérieure actuelle est de 2 憐 10 size=1^漣25 e size=1^漣 練cm.

Généralement, les baryons sont composés de trois particules «plus élémentaires», les quarks, qui sont tenues ensemble par l’échange de bosons vectoriels, les gluons, avec une petite addition de composants complémentaires. Pour le neutron, deux des trois quarks sont des quarks isospin down (d) avec une charge électrique Q = 1/3 e et le troisième est un quark isospin up (u) muni d’une charge Q = 2/3 e. Les deux quarks d sont couplés avec des spins opposés, laissant J = 1/2. Le neutron est l’état d’énergie minimal du complexe neutre ddu.

De manière plus détaillée, les théories de grande unification (T.G.U.) des particules élémentaires prédisent que le neutron contient aussi un peu d’antineutron 讀 . Cela impliquerait que, sur une longue période de temps, le neutron oscille spontanément entre les états n et 讀 et qu’ainsi le nombre baryonique (1 pour n , 漣 1 pour 讀 ) ne serait pas conservé. Jusqu’en 1994, les expériences n’ont pas réussi à observer ces oscillations et ont établi une limite inférieure pour la période d’oscillation 精ⁿ size=1^讀 礪 10⁶ s.

2. Neutrons et noyaux

Le rapport entre les protons et les neutrons au sein de noyaux stables varie à travers le tableau périodique. Dans les éléments légers, le rapport est d’environ 1/1, alors que, dans les noyaux les plus lourds, le nombre de neutrons augmente jusqu’à atteindre environ 1,5 fois celui des protons. Ces deux particules sont maintenues ensemble dans les noyaux par l’interaction forte contre la répulsion coulombienne des charges des protons et l’énergie cinétique des protons et des neutrons. Cette dernière est substantielle dans les noyaux puisque les deux nucléons obéissent au principe d’exclusion de Pauli qui les contraint à occuper des états énergétiques de plus en plus élevés à mesure que se remplissent les états les moins énergétiques. L’équilibre entre liaison et répulsion est assez délicat et seuls des nombres de neutrons et de protons bien définis peuvent donner des noyaux stables.

Les divers éléments chimiques présents dans l’Univers ont été formés au cours de ce que l’on appelle la nucléosynthèse. La capture des neutrons joue un rôle crucial dans ce processus, en particulier pour la formation des noyaux les plus lourds. Ces derniers ont été élaborés par absorption successive de neutrons; certains sont stables, tandis que d’autres sont instables, particulièrement par rapport à la désintégration 廓, qui augmente à son tour le nombre de protons dans le noyau.

Puisque les neutrons sont dépourvus de charge, même ceux qui ont une faible énergie approchent les noyaux et sont absorbés. La probabilité de ce type d’absorption est fonction de la composition des noyaux. Par exemple, des neutrons lents peuvent traverser plusieurs dizaines de centimètres de certains matériaux tels que ⁴He ou Si avec de faibles pertes, alors qu’ils sont absorbés par quelques centièmes de millimètre de cadmium ou de gadolinium.

La section efficace

La section efficace des noyaux pour l’absorption des neutrons lents (énergie cinétique E 麗 1 keV) est une fonction de l’énergie du neutron dominée par les résonances. Ces dernières correspondent à des niveaux d’énergie bien définis du système (neutron + noyau originel) qui ont une durée de vie finie, c’est-à-dire qui ne sont pas des états liés. Elles fournissent des informations cruciales sur le mouvement des nucléons au sein d’un noyau. Dans certains éléments, plus de 500 résonances ont été trouvées. La figure 1 présente les sections efficaces totales de capture des neutrons pour deux isotopes de l’uranium dans le domaine des neutrons de basse énergie. La section efficace de ²³⁵U (fig. 1 a) montre une augmentation de la section efficace vers les faibles énergies proportionnelle à 1/v , où v est la vitesse du neutron si les atomes cibles sont au repos. Cela est dû à la queue des résonances les plus proches. Dans l’absorption, le neutron est capturé pour former un noyau plus lourd et, en règle générale, radioactif. Celui-ci subit une ou plusieurs désintégrations radioactives. Le rayonnement émis est caractéristique des isotopes nucléaires irradiés et, dans le cas des diverses espèces atomiques, une grande variété de rayonnements ( 見, 廓, 塚, proton, neutron, etc.) peut être observée, ou bien une fission nucléaire se produit. C’est notamment le cas de ²³⁵U. Pour des neutrons de faible énergie (inférieure à 100 MeV), la majeure partie de la section efficace apparaissant sur la figure 1 correspond à des processus de fission dans lesquels ²³⁵U se désintègre en une variété de noyaux de masse atomique A comprise entre 80 et 150 (les fragments de fission) tandis qu’en moyenne 2,5 neutrons sont aussi libérés. Ces derniers portent une énorme quantité d’énergie cinétique (environ 180 MeV par fission) qui est finalement transformée en chaleur, tandis que ces particules sont ralenties (thermalisées) dans les matériaux environnants. C’est cette énergie qui est utilisée dans les centrales nucléaires.

La diffusion

Une autre composante de l’interaction neutron-nucléon est la diffusion. Celle-ci n’implique aucun changement de l’état interne du noyau (processus nucléaire élastique) et la collision entre un noyau et un neutron se produit de manière très semblable à celle qu’on trouve en mécanique quand deux boules de billard conservent, après collision, leur énergie cinétique totale et leur moment (quantité de mouvement). Ainsi, bien que l’énergie interne du neutron ne change pas, une partie de son énergie cinétique est transférée au noyau et est appelée «énergie de recul». Si le noyau cible est lié dans un matériau solide avec une énergie de liaison supérieure à celle du recul, il ne peut se déplacer et la diffusion se produira avec une probabilité donnée sans aucun changement de l’énergie cinétique du noyau cible et du neutron. Ce phénomène est très semblable à celui de l’«absorption sans recul des rayons 塚» ou effet Mössbauer. D’un autre côté, des neutrons d’énergie d’environ quelques électronvolts ou plus sont capables de déplacer des atomes de leur position chimiquement liée par cet effet de recul mécanique. Ce processus est le plus probable pour l’atome léger ¹H et sa probabilité est inversement proportionnelle à la masse atomique. La probabilité de collision est exprimée conventionnellement par la section efficace (qui, dans cette analogie mécanique, correspond à la section géométrique 神 r ² d’une sphère de rayon r ) qui est définie en barns (10 size=1^漣28 m²). La section efficace de diffusion du neutron, tout comme celle d’absorption, varie irrégulièrement d’un élément chimique à l’autre et aussi d’un isotope à l’autre; elle n’a, en fait, que peu de rapport avec la taille physique réelle du noyau. Ainsi, ¹H a, avec 81 barns, la section efficace de diffusion la plus grande parmi les matériaux courants, tandis que ²D montre une valeur moyenne de 7,6 barns. Par comparaison, la section efficace d’absorption du gadolinium est de 50 000 barns pour des neutrons ayant une vitesse de 2 200 m/s. La section efficace de diffusion des neutrons dépend peu de la vitesse de ces particules (voir le cas de ²³⁸U pour des neutrons d’énergie inférieure à 5 électronvolts dans la figure 1 b.

Les interactions des neutrons avec les divers noyaux, y compris l’absorption et la diffusion, sont déterminées par l’interaction forte, c’est-à-dire par les mêmes forces nucléaires qui assurent la cohésion des noyaux. Les variations fortes et irrégulières de ces quantités d’un élément à l’autre et d’un isotope à l’autre sont dues à la structure interne des noyaux qui est très complexe (par exemple les effets de couches) et pas encore comprise dans tous ses détails. C’est pourquoi il n’est pas encore possible de prédire théoriquement les sections efficaces pour les neutrons. Cependant, un laborieux travail expérimental a permis de constituer d’énormes bases de données disponibles pour tous les éléments chimiques et pour la plupart des isotopes connus. Ces informations sont essentielles dans la recherche impliquant les neutrons et aussi dans les nombreuses applications pratiques du rayonnement neutronique qui vont de la thérapie antitumorale en médecine à la production d’énergie nucléaire, du contrôle de qualité en génie mécanique à la détection des explosifs placés dans les bagages enregistrés dans les aéroports, de l’analyse chimique de minuscules quantités d’éléments présents à l’état de trace dans la nourriture à la recherche des secrets artistiques de peintures vieilles de plusieurs siècles (fig. 2), de l’étude de phénomènes physiques fondamentaux dans les liquides, les solides et les matériaux biologiques à l’observation visuelle de l’intérieur de structures lourdes, etc. Ces applications nécessitent une grande variété de sources de neutrons.

3. Sources de neutrons et modérateurs

Le fonctionnement de tous les types de sources de neutrons est fondé sur la désintégration de certains noyaux, pour lesquels les neutrons figurent parmi les produits finals. Le radio-isotope artificiel ²³²Cf émet des neutrons dans une réaction de fission spontanée. Dans d’autres sources, l’émission de neutrons est consécutive au bombardement de noyaux par un certain rayonnement qui conduit le plus souvent à l’émission de neutrons rapides (E = de 1 à 20 MeV).

La fameuse réaction dans laquelle le neutron a été originellement découvert:

ou, en notation condensée, ⁹Be( 見, n )¹²C, est encore utilisée dans des sources de neutrons portables, dans lesquelles les particules 見 sont produites par des éléments radioactifs naturels ou artificiels, tels que ²⁴¹Am, ²¹⁰Po, ²²⁶Ra. L’intensité la plus élevée, environ 10⁸ neutrons par seconde, est obtenue avec le ²¹⁰Po.

En produisant les particules incidentes dans un accélérateur de particules, on dispose d’une grande variété de réactions qui produisent des neutrons avec des distributions en énergie différentes. La source électrostatique tritium-deutérium, particulièrement simple et de petite taille, peut fournir jusqu’à 10¹¹ neutrons monoénergétiques (d’environ 14 MeV) par seconde: des deutérons (d ) accélérés à une énergie de 100 keV sur une cible de tritium fixé chimiquement à un simple support métallique produisent la réaction ³T(d , n )⁴He.

À l’autre extrême, on utilise de très grands accélérateurs de protons pour produire jusqu’à 10¹⁸ neutrons par seconde par la réaction dite de spallation. C’est le cas du Lansce (Los Alamos Neutron Scattering Center) à Los Alamos et d’Isis près d’Oxford. Dans cette technique, des protons de très grande énergie (environ 1 000 MeV) déposent tant d’énergie dans les noyaux lourds d’éléments tels que Pb, W ou U que le noyau se désintègre en produisant de 20 à 40 neutrons rapides par proton incident. Le rendement dépend beaucoup de l’énergie du proton et, à une énergie de proton de 100 MeV, moins d’un neutron est émis par proton incident.

Ces sources qui produisent intrinsèquement des neutrons rapides peuvent aussi fournir des neutrons lents grâce à l’utilisation de modérateurs. Ces derniers contiennent des éléments légers à faible section efficace d’absorption des neutrons. D, H et, à un moindre degré, Be et C sont les plus utilisés. En une séquence de collisions, la grande énergie cinétique du neutron rapide est transférée à ces éléments légers par le processus de recul mécanique. La perte d’énergie de E⁰ à E¹ en une collision est exprimée par le décrément logarithmique 﨡 = ln(E¹/E⁰), qui est d’autant plus petit que la masse atomique du modérateur est élevée. 﨡 vaut 1 pour H et une bonne approximation est donnée par 﨡 = 2/(A + 0,7) pour un atome de masse A 礪 2. Après n collisions, l’énergie moyenne du neutron est donnée par Eⁿ = E⁰ e size=1^漣n size=1^﨡. Ainsi le neutron est thermalisé après environ 20 collisions entre H ou D, c’est-à-dire que son énergie moyenne est proche de l’énergie cinétique des vibrations thermiques des atomes du modérateur qui est d’environ 40 MeV pour un modérateur à température ambiante (neutrons dits thermiques). On peut obtenir des neutrons d’énergie moyenne encore plus faible en refroidissant le modérateur à quelque 20 ou 30 K, ce qui donne des neutrons d’environ 5 MeV (neutrons dits froids).

Beaucoup de neutrons s’échappent d’un modérateur d’épaisseur réduite avant thermalisation et cela donne lieu dans la modération par l’hydrogène à un spectre de freinage dont la distribution en énergie est proportionnelle à 1/E dans toute la gamme entre le domaine thermique et l’énergie initiale du neutron rapide. La luminosité du modérateur est exprimée par le nombre de neutrons émergeant par unité de surface du modérateur et par unité de temps. Les modérateurs installés sur les grandes sources à spallation mentionnées plus haut produisent quelque 10¹³ neutrons par seconde et par centimètre carré en moyenne temporelle et 10¹⁶ neutrons par seconde et par centimètre carré au sommet des pulses.

Les sources de neutrons lents le plus communément utilisées sont les réacteurs nucléaires. En moyenne, 2,5 neutrons sont libérés immédiatement avec une énergie moyenne de 8 MeV dans la réaction de fission produite par l’absorption d’un neutron lent par ²³⁵U. Un petit nombre de neutrons supplémentaires, dits retardés, sont ensuite émis par la désintégration radioactive des fragments de fission à des temps pouvant aller jusqu’à quelques minutes après la fission. Puisque la section efficace d’absorption de ²³⁵U pour la fission n’est notable qu’aux énergies des neutrons thermiques (fig. 1), ces neutrons rapides doivent être thermalisés avant de pouvoir donner naissance à une seconde génération de fissions. Avant d’en arriver là, beaucoup de ces neutrons sont absorbés par des résonances de plus grande énergie, par la structure du réacteur, par le modérateur lui-même tandis qu’un grand nombre de neutrons s’échappe du modérateur vers l’extérieur de la zone active. Ce sont ces derniers qui sont utilisés dans les réacteurs sources de neutrons. Le facteur de multiplication des neutrons k est le résultat net de ces processus et il donne le nombre de neutrons thermiques produits par un événement de fission dans un cycle de modération. La réaction en chaîne est maintenue si k = 1 et son intensité augmente avec le temps si k 礪 1. Dans les réacteurs en fonctionnement, k est inférieur à 1 si l’on ne considère que les neutrons émis immédiatement (qui sont thermalisés en environ 1 ms) et k n’est supérieur à 1 que si l’on y ajoute la contribution des neutrons retardés, ce qui porte le temps caractéristique de la multiplication des neutrons à quelques minutes. Cela rend mécaniquement simple le contrôle de la réaction en chaîne par introduction d’absorbeurs de neutrons.

Contrairement aux centrales nucléaires, les réacteurs de recherche présentent une très forte luminosité en neutrons dans une petite zone active (volume d’environ 50 l). Un flux de neutrons thermiques supérieur à 10¹⁵ neutrons par seconde et par centimètre carré est obtenu à l’institut Laue-Langevin à Grenoble (France) et au laboratoire national de Brookhaven (Long Island, États-Unis), pour une puissance de fonctionnement de 60 MW (production de chaleur).

4. Détection des neutrons et analyse en énergie

Puisque le neutron n’a pas de charge, il ne peut être observé par les techniques classiques de détection des particules. Dans le cas des neutrons lents, il est possible d’utiliser le rayonnement secondaire émis par plusieurs noyaux après la capture d’un neutron. En revanche, dans le cas des neutrons rapides, les sections efficaces d’absorption sont faibles, et la méthode la plus fréquemment utilisée est l’observation des protons éjectés d’une cible d’hydrogène par la diffusion des neutrons. Si la direction initiale du neutron incident est connue, il est possible de calculer son énergie à partir de celle du proton de recul et de sa direction.

Dans le détecteur le plus courant de neutrons lents, les atomes absorbeurs sont présents sous forme gazeuse, tels B³ ou ³He. Dans la réaction ¹⁰B(n , 見)⁷Li, la particule 見 est émise immédiatement après l’absorption du neutron, ce qui provoque une décharge dans le détecteur par ionisation du gaz placé sous une haute tension. Le signal électrique obtenu est indépendant de l’énergie initiale du neutron; seule l’efficacité du détecteur décroît pour des neutrons d’énergie croissante, puisque la probabilité d’absorption décroît.

Plus récemment, des détecteurs de position ont été mis au point sur le principe des détecteurs à gaz. En utilisant deux plans de fils au lieu de simples électrodes, la position de la décharge électrique peut être déterminée avec une précision considérable (par exemple 0,5 cm pour un détecteur bidimensionnel plat de 64 憐 64 cm². Cette dernière peut encore être améliorée en enregistrant le rayonnement secondaire émis par une plaque photographique placée au contact direct d’une feuille d’un matériau absorbant les neutrons appelée convertisseur. Les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant des feuilles de gadolinium de 50 猪m d’épaisseur qui émettent un rayonnement 塚 après absorption des neutrons. Afin d’obtenir un signal immédiat, on peut remplacer la plaque photographique par un ensemble de photomultiplicateurs ou par une caméra de télévision à grande sensibilité si l’on utilise un convertisseur émettant de la lumière tel qu’un écran scintillateur de ZnS chargé avec ⁶Li.

Si l’on veut déterminer l’énergie des neutrons, il faut utiliser un système d’analyse en combinaison avec ces détecteurs. La mesure directe de la vitesse de ces particules est la méthode la plus courante, appliquée à des pulses de neutrons au lieu de faisceaux continus (méthode dite du temps de vol). Ces pulses peuvent être formés soit par le fonctionnement pulsé de la source de neutrons (source à spallation) ou par un obturateur mécanique en rotation (appelé chopper , c’est-à-dire «hachoir» en anglais) qui ne laisse passer les neutrons que pour une période de temps très brève. La vitesse v = l /t est obtenue à partir de l’intervalle de temps séparant la détection du neutron au temps t de la naissance du pulse et de la longueur l du trajet parcouru par le neutron. Pour des mesures très précises, le temps de vol de ce dernier est déterminé par précession de Larmor du moment magnétique des neutrons placés dans un champ magnétique connu (méthode de l’écho de spin).

On peut aussi sélectionner des neutrons d’énergie donnée par réflexion de Bragg à un angle donné sur un monocristal, dans le cas des neutrons thermiques, ou en utilisant une résonance d’absorption étroite telle que celle de ²³⁸U à 6,26 eV dans la figure 1 b.

5. Les ondes neutroniques et la diffusion des neutrons

Suivant la dualité fondamentale onde-particule de la mécanique quantique, l’onde associée à un neutron de vitesse v (ou d’énergie E = mv ²/2) a une longueur d’onde et une fréquence 益:

où 寮 est la constante de Planck; la relation entre la vitesse du neutron et son énergie étant donnée par:

où E est mesurée en électronvolts. La première de ces relations permet d’estimer l’énergie cinétique d’un neutron à l’intérieur du noyau: puisque la longueur d’onde doit être inférieure au diamètre du noyau (environ 10^-14 m), on trouve des énergies cinétiques supérieures à 3 mégaélectronvolts. Réciproquement, la longueur d’onde aux énergies des neutrons thermiques et froids est de l’ordre de 0,15 à 0,5 nm, très proche du diamètre des atomes, c’est-à-dire des distances interatomiques dans la matière condensée. C’est pourquoi la diffusion des ondes neutroniques par un réseau d’atomes donne lieu à des phénomènes d’interférences marqués sous forme de diffraction de Bragg.

L’étude de ces diagrammes de diffraction permet aux scientifiques de découvrir la structure atomique précise de matériaux cristallins en déterminant non seulement la position de chaque atome dans la matrice cristalline, mais aussi l’amplitude de leurs vibrations thermiques locales autour de leur position d’équilibre. L’intérêt particulier de la diffraction de neutrons par rapport à celle des rayons X, beaucoup moins coûteuse, tient à la possibilité qu’offrent ces particules d’étudier aussi l’arrangement des moments magnétiques (invisibles aux rayons X) et d’identifier les atomes légers et les isotopes comme H, D et O qui, dans la méthode des rayons X, sont masqués par la forte diffusion et l’absorption des composants plus lourds. De plus, le rayonnement neutronique, beaucoup plus pénétrant, permet l’étude du volume de l’échantillon dans son ensemble et non seulement d’une mince couche superficielle. Cette technique est utilisée dans des applications industrielles, comme le contrôle non destructif de l’absence de phases fragiles dans des éléments métalliques soudés ou l’analyse des distributions de contraintes à l’intérieur de structures mécaniques fortement déformées.

Des structures atomiques dépourvues d’ordre cristallin à grande distance peuvent aussi donner lieu, en diffusion des neutrons, à des phénomènes d’interférences caractérisés par de larges maximums au lieu des raies de Bragg très étroites. Ainsi, la diffusion aux petits angles (inférieurs à 5⁰) des neutrons froids permet l’étude d’inhomogénéités de taille intermédiaire (1-100 nm), dites mésoscopiques. Ces dernières peuvent prendre la forme de précipités dans les métaux, de macromolécules biologiques comme des protéines en solution, de molécules de polymères géantes, etc.

La diffusion des neutrons est aussi parfaitement adaptée à l’observation du mouvement des atomes. Par suite de ces mouvements, le pouvoir de diffusion de l’échantillon présente une modulation rapide dans le temps. Une composante de fréquence 諸 de cette modulation produit un composant du rayonnement diffusé de fréquence 益 + 諸 (gain d’énergie pour le neutron) et 益 漣 諸 (perte d’énergie), où 益 est la fréquence du rayonnement neutronique incident. Ces processus inélastiques peuvent être étudiés en déterminant non seulement la distribution angulaire mais aussi la distribution en énergie des neutrons diffusés. Les phénomènes typiques de la matière condensée étudiés par diffusion inélastique des neutrons sont les excitations collectives (phonons, magnons), les fluctuations près des transitions de phase, les effets de relaxation, etc.

On peut trouver une autre analogie entre le comportement des neutrons lents et l’optique de la lumière dans le phénomène de réfraction et de réflexion totale. Dans une approximation de milieux continus, l’interaction entre les neutrons et les noyaux dans un milieu homogène peut être décrite par une énergie potentielle nucléaire moyenne Vⁿ comprenant une contribution de l’énergie Zeeman, due au moment magnétique du neutron 猪 si un champ magnétique B est présent dans le milieu:

où le signe 漣 correspond à un neutron de spin parallèle au champ et le signe + pour la direction opposée. Pour B 力 2 teslas (saturation magnétique du fer), 猪B 力 1,2 憐 10 size=1^漣4 MeV, et incidemment Vⁿ = 2 神 寮 ²b N/m, où N est le nombre moyen d’atomes par unité de volume et b la longueur de diffusion des neutrons, une quantité tabulée pour tous les noyaux. Vⁿ est du même ordre de grandeur pour tous les matériaux. Ainsi, de par la conservation de l’énergie, la vitesse d’un neutron pénétrant le milieu avec une vitesse v ⁰ dans le vide ou l’air devient:

et on peut définir un indice de réfraction:

Aux énergies de neutrons thermiques et froids, n diffère de 1 par 10 size=1^漣4 漣 10 size=1^漣5 et, pour la plupart des matériaux, n 麗 1 (potentiel répulsif). Ainsi rencontre-t-on des phénomènes de réflexion totale quand des neutrons passent du vide (air) dans un milieu, et l’angle d’incidence critique est donné par la loi de Snell:

Le phénomène de réflexion totale externe permet de fabriquer des tubes guides de neutrons analogues aux fibres optiques, avec toutefois une forte limitation sur la divergence du faisceau. Pour le guide le plus utilisé (en verre recouvert d’une couche de nickel), l’angle d’incidence critique est de 0,5⁰ pour des neutrons de longueur d’onde = 0,5 nm. En outre, la réflexion totale sur des matériaux magnétiques appropriés produit un faisceau de neutrons polarisés, par suite de la différence d’angle critique pour les deux directions de spin; pour le cobalt, par exemple, ces deux valeurs sont de 0,43⁰ et 0 à = 0,5 nm.

6. Effets sur la santé et applications thérapeutiques

Les dégâts causés aux tissus vivants par les rayonnements sont dus à des effets d’ionisation qui, dans le cas des neutrons, sont indirects. Par l’effet de recul, ces particules rapides éjectent des protons (en brisant leur liaison chimique) qui produisent les méfaits. Au-dessous des énergies de liaison des protons (quelques eV), le recul ne se produit pas et les neutrons parcourent une trajectoire diffuse à travers les tissus par collisions successives, principalement avec les protons jusqu’à être finalement absorbés par un noyau, le plus souvent H ou N. Des dégâts par ionisation peuvent aussi être causés par le rayonnement secondaire émis après la capture, mais ils sont environ 30 fois plus faibles. Le rayonnement neutronique peut être arrêté efficacement par des protections qui remplissent trois fonctions: réduction de la vitesse des neutrons, absorption des neutrons ralentis et protection contre le rayonnement secondaire consécutif à l’absorption. Les matériaux contenant de l’hydrogène sont d’excellents modérateurs et le bore est l’absorbeur le plus fréquemment utilisé, car le rayonnement 見 qu’il émet est facilement arrêté par rapport au rayonnement 塚 très énergétique émis par les absorbeurs cadmium ou gadolinium.

Les neutrons sont aussi utilisés en thérapie antitumorale, car il est plus facile de concentrer les méfaits d’irradiation sur les tissus malins qu’avec des rayons 塚; il est par exemple possible d’accumuler des produits contenant du bore dans les cellules malignes avant le traitement, en sorte que les neutrons soient principalement absorbés par ces atomes. Les particules 見 émises ont une grande efficacité de destruction locale et ne peuvent parcourir plus de quelques micromètres. De plus, de nombreux isotopes utilisés en radiothérapie des cancers (⁶⁰Co, ¹²⁵I, ¹³⁷Cs, ¹²⁹Ir) sont produits par irradiation neutronique des éléments naturels non radioactifs.

7. Radiographie neutronique et analyse chimique

Des matériaux différents atténuent un faisceau de neutrons dans des proportions variables et produisent ainsi des ombres d’intensité différente sur les plaques photographiques d’un détecteur s’ils sont illuminés par un faisceau de neutrons pratiquement parallèle. Puisque la plupart des métaux courants sont assez transparents, cette méthode est particulièrement bien adaptée à l’observation non destructrice de l’intérieur d’éléments de structure dans des applications délicates. Ainsi, de nombreuses parties de la fusée Ariane sont régulièrement examinées par radiographie neutronique (neutronographie). Contrairement aux rayons X, les matériaux hydrogénés atténuent fortement les faisceaux de neutrons, à cause de la grande section efficace de diffusion de l’hydrogène, ce qui permet d’observer aisément des liquides, graisses et caoutchoucs à l’intérieur de structures en acier.

La neutronographie de résonance combine l’observation visuelle et l’analyse chimique en utilisant un rayonnement monoénergétique dans le domaine de l’électronvolt. Quand l’énergie des neutrons coïncide avec une forte résonance d’un élément chimique, les parties le contenant donnent des ombres très fortes qui disparaissent à la moindre modification de l’énergie des neutrons.

Il y a encore bien d’autres manières d’effectuer des analyses chimiques difficiles à l’aide des neutrons. Dans l’analyse par activation, l’échantillon est irradié par des neutrons pendant un temps plus ou moins long, à la suite duquel on étudie la radioactivité induite. Des quantités minuscules (10 size=1^漣9 g) des divers éléments peuvent être identifiées à partir des caractéristiques de cette radioactivité: demi-vie, type (essentiellement des rayons 塚), intensité et énergie. Une variante de cette méthode, l’autoradiographie par activation, est utilisée pour révéler les secrets de tableaux anciens sans causer aucun dommage à ces trésors artistiques (fig. 2). Après irradiation, les divers éléments chimiques activés dans les pigments se désintègrent avec des temps de vie différents, et chaque moment suivant l’irradiation est dominé par la radioactivité d’un petit nombre d’éléments caractéristiques d’un certain nombre de pigments. En plaçant un film sensible aux rayons X sur la peinture irradiée pendant une période de temps appropriée, on obtient une image montrant principalement quelques pigments. Par exemple, après une dizaine de jours, l’activité est dominée par le phosphore contenu dans le pigment noir utilisé pour effectuer la première esquisse la plus caractéristique du style d’un artiste qui est ensuite complètement recouverte par les couches de peinture successives.

Une analyse chimique rapide et non destructrice peut aussi être effectuée avec les neutrons, même à l’intérieur de conteneurs clos, en observant le spectre des rayons 塚 émis immédiatement lors de la capture de ces particules. Cette analyse est effectuée pendant l’irradiation neutronique, en utilisant éventuellement une source de neutrons portable, mais elle est moins sensible que la méthode d’activation. Elle peut être utilisée, par exemple, pour la détection de certains explosifs ou pour contrôler le contenu en protéines de céréales.

• 1912; mot angl., de neutral « neutre », en électr., et -on, de electron

n. m. PHYS NUCL Particule fondamentale, constituant du noyau atomique (symbole n, n0 ou 1 0 n). V. encycl. atome, particule et quark.

— Bombe à neutrons.

|| ASTRO étoile à neutrons: astre constitué de neutrons, ayant un rayon de 10 km et une masse volumique de 1 milliard de t/cm³, résultant de l'explosion d'une supernova.

Encycl. Phys. nucl. - Le neutron a une masse très voisine de celle du proton, une charge électrique nulle. Un noyau atomique comprend Z protons (Z = numéro atomique) et [A - Z] neutrons (A = nombre de masse). Protons et neutrons sont liés au sein du noyau par les forces internucléaires. Lors de réactions nucléaires, des neutrons peuvent être libérés par le noyau. Ils constituent alors des projectiles qui, s'ils sont suffisamment ralentis (neutrons thermiques), provoquent la fission de certains noyaux (utilisée dans les réacteurs nucléaires et dans la bombe atomique).

⇒NEUTRON, subst. masc.

A. —PHYS. NUCL. Chacune des particules élémentaires, sans charge électrique, de masse légèrement supérieure à celle du proton, constitutive, avec les protons, du noyau de l'atome (à l'exception de celui de l'hydrogène normal), et jouant un rôle essentiel dans les réactions de fission. Protons et neutrons; neutrons intermédiaires, froids, chauds, rapides, thermiques; neutron de fission; émission, générateurs de neutrons; ralentissement des neutrons dans une réaction en chaîne; modérateur de neutrons dans un réacteur nucléaire; bombardement par neutrons. Avec les neutrons lents (...). Il y aurait d'abord capture du neutron, puis libération d'énergie par le noyau composé, avec émission de photons (CHAMPETIER, Chim. macromol., 1957, p.47). Les protons et neutrons du noyau sont solidement maintenus ensemble par des forces d'un type spécial, appelées forces nucléaires (Hist. gén. sc., t.3, vol.2, 1964, p.376). V. cadmium ex., fissile B ex. de Goldschmidt, fission ex. de Goldschmidt et de Leprince-Ringuet, bombarder ex. 3:

• ♦ ... en mars 1939 (...) Joliot, Hans Halban et Lew Kowarski, au Collège de France, démontrèrent que la rupture d'un noyau d'uranium provoquée par un seul neutron, s'accompagne, outre la formation d'énergie correspondante, de l'émission de plusieurs neutrons dits neutrons secondaires. C'est là le fait primordial qui va permettre la propagation du feu atomique...

GOLDSCHMIDT, Avent. atom., 1962, p.24.

♦Bombe à neutrons. Bombe qui détruit toute vie sans provoquer de grands dégâts matériels. L'amorce de fission est à ce jour indispensable pour démarrer la réaction de fusion, et la bombe H dite à neutrons, sans amorce de fission, n'a pu encore être réalisée (GOLDSCHMIDT, Avent. atom., 1962, p.177). La bombe à rayonnement renforcé, plus connue sous le nom de bombe à neutrons, que la France continue à étudier, sans que la décision de la produire ait été prise (La Croix, 27 mars 1982, p.5, col. 4).

B. —ASTRON. Étoile à neutrons. Étoile dans laquelle la densité est si élevée que la matière se trouve sous la forme d'un gaz dégénéré d'électrons et d'un gaz dégénéré de neutrons (d'apr. Astron. 1973). Dans les étoiles à neutrons, où la densité dépasse le millier de tonnes par centimètre cube, les électrons, d'une part, et les neutrons, d'autre part, constituent des gaz dégénérés (Astron. 1973, p.235).

Prononc.:[]. Étymol. et Hist. 1. 1912 (L. BRÜNINGHAUS, Distribution du dépôt actif du radium dans un champ électrique, c. r. d'un article de E. M. Wellisch et H. L. Bronson ds Amer. journ. of science, 33, pp.483-498 ds Radium, 9, p.359a: les auteurs supposent l'existence dans le gaz de neutrons, centres actuellement neutres mais instables); 2. 1930 (G. FOURNIER, Sur une classification nucléaire des atomes ds J. phys. et Radium, t.1, série VII, p.196). Mot créé en angl., par contraction de l'adj. neutral «neutre» (en électr., 1896, R. ROBB ds NED Suppl.²) et du suff. -on d'apr. électron, proton, d'abord en 1899 (W. SUTHERLAND, ibid.) correspondant à 1, puis en phys. nucl., 1921 (W. D. HARKINS in Phil. Mag., 6th ser. XLII, 309, ibid.). Neutron fut associé à la découverte de J. Chadwick en 1932, qu'avaient préparée, l'année précédente, plusieurs expériences, en particulier celles de Fr. et I. Joliot en France.

DÉR. Neutronique, adj. et subst. fém. a) Adj. Propre, relatif aux neutrons. Particule neutronique; masse, flux neutronique; analyse neutronique; bombardement neutronique de l'uranium. Lorsque la densité de neutrons, indiquée par un appareil de mesure, devient assez grande, on enfonce à nouveau les barreaux de cadmium jusqu'à une profondeur qui correspond à un facteur de reproduction égal à l'unité et la densité neutronique alors obtenue se maintient (GOLDSCHMIDT, Avent. atom., 1962, p.37). Déplacement des atomes dans les structures cristallisées sous l'effet d'irradiations neutroniques poussées. Le graphite, soumis à l'action d'un flux de neutrons intense, change de propriétés mécaniques et de dimensions (GOLDSCHMIDT, Avent. atom., 1962, p.208). b) Subst. fém. Branche de la physique nucléaire qui a pour objet l'étude des neutrons. Des expériences de physique ou de technique avec les neutrons et autres rayonnements qui les accompagnent (...); la neutronique expérimentale, la métallurgie, la physique nucléaire, la génétique, la biologie, les transformations chimiques, tout cela est étudié simultanément (LEPRINCE-RINGUET, Atomes et hommes, 1957, p.69). — []. — 1^res attest. 1935 adj. (C. P. J. Phys., p.33), 1957 subst. fém. (LEPRINCE-RINGUET, loc. cit.); de neutron, suff. -ique.

neutron [nøtʀɔ̃] n. m.

ÉTYM. 1932, cit. 1; 1912, dans un compte rendu d'art. amér.; mot forgé en angl. (1899) par Sutherland avec la valeur vague de « particule neutre », repris par Glasson et par Rutherford en 1920, par Harkins, de Chicago, en 1921, puis par Chadwick en 1932; de neutral « neutre », d'après electron (→ Électron).

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♦ Phys. Particule élémentaire, électriquement neutre, qui fait partie de tous les noyaux atomiques, sauf du noyau d'hydrogène normal. ⇒ Atome (cit. 17 et 18; → Matière, cit. 5). || C'est le nombre des neutrons qui différencie les noyaux des isotopes. || Neutrons rapides, neutrons lents (dits thermiques). || Les neutrons lents sont plus actifs que les rapides. || Ralentissement des neutrons dans les réactions en chaîne.