Neutron

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Neutron
Quark structure neutron.svg

Représentation schématique de la composition en quarks d'un neutron, avec deux quarks d et un quark u. L' interaction forte est transmise par des gluons (représentés ici par un tracé sinusoïdal). La couleur des quarks fait référence aux trois types de charge de l'interaction forte : rouge, verte et bleue. Le choix de couleur effectué ici est arbitraire, la charge de couleur circulant à travers les trois quarks.

Propriétés générales
Classification
Particule composite ( baryon)
Composition
Famille
Groupe
Interaction(s)
Symbole
n, n0
Antiparticule
Propriétés physiques
Masse
939,5654 [2] MeV/c² [3]
(1,67493×10-27 kg)
(1,0086649 u [3])
Charge électrique
0 C
Moment dipolaire
<2,9×10−26 e.cm
Polarisabilité électrique
1,16(15)×10−3 fm3
Moment magnétique
−1,9130427(5) μN
Polarisabilité magnétique
3,7(20)×10−4 fm3
Charge de couleur
0
Spin
½
Isospin
½
Parité
+1
Durée de vie
880,3 ± 1,1 s
Forme condensée
½
Historique
Prédiction
Découverte
1932
Découvreur

Le neutron est une particule subatomique de charge électrique nulle.

Les neutrons sont présents dans le noyau des atomes, liés avec des protons par l' interaction forte. Si le nombre de protons d'un noyau détermine son élément chimique, le nombre de neutrons détermine son isotope. Les neutrons liés dans un noyau atomique sont en général stables mais les neutrons libres sont instables : ils se désintègrent en un peu moins de 15 minutes (880,3 secondes). Les neutrons libres sont produits dans les opérations de fission et de fusion nucléaires.

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

Caractéristiques

Description

Le neutron est un fermion de spin ½. Il est composé de trois quarks (deux down et un up), ce qui en fait un baryon de charge électrique nulle. Ses quarks sont liés par l' interaction forte, transmise par des gluons.

La masse du neutron est égale à environ 1,008 665 549 16 u, soit à peu près 939,565 379 [2] MeV/c2 ou 1,675×10−27 kg [4]. Le neutron est 1,0014 fois plus massif que le proton. Sa charge électrique est nulle. Tout comme le proton, le neutron est un nucléon et peut être lié à d'autres nucléons par la force nucléaire à l'intérieur d'un noyau atomique. Le nombre de protons d'un noyau (son numéro atomique, noté Z) détermine les propriétés chimiques de l' atome et donc quel élément chimique il représente ; le nombre de neutrons (usuellement noté N) détermine en revanche l' isotope de cet élément. Le nombre de masse (noté A) est le nombre total de nucléons du noyau : A = Z + N.

Le modèle standard de la physique des particules prédit une légère séparation des charges positive et négative à l'intérieur du neutron, conduisant à un moment dipolaire électrique permanent [5]. La valeur prédite est cependant trop petite pour être mesurée avec les instruments actuels.

Le neutron possède une antiparticule, l' antineutron.

Stabilité

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

Selon les contraintes du modèle standard de la physique des particules, comme le neutron est composé de trois quarks, son seul mode de désintégration possible (sans modifier le nombre baryonique) suppose le changement de saveur d'un quark par l'intermédiaire de l' interaction faible. La désintégration d'un quark down, de charge - 1/3, en un quark up, de charge +2/3, est réalisée par l'émission d'un boson W ; de cette façon, le neutron se désintègre en un proton (qui contient un quark down et deux quarks up), un électron et un antineutrino électronique.

n → p + e- + antineutrino + 782 keV

À l'extérieur d'un noyau atomique, le neutron libre est instable et sa durée de vie moyenne est de 880,3 s±1,1 s (soit un peu moins de 15 minutes ; la demi-vie correspondante est de 880,3 x ln (2) = 610,2 s, soit un peu plus de 10 minutes) [4]. Il se désintègre suivant le processus décrit ci-dessus. Ce processus, nommé désintégration bêta, peut également transformer un neutron à l'intérieur d'un noyau atomique instable.

Ces durées de vie (moyenne et demi-vie) sont très supérieures aux durées de vie des neutrons rencontrées dans un réacteur nucléaire, ce qui fait que la disparition des neutrons par désintégration peut être négligée dans le bilan neutronique (production/disparition) du réacteur.

À l'intérieur d'un noyau atomique, un proton peut se transformer en neutron par un processus de désintégration bêta inverse. La transformation provoque également l'émission d'un positron (un antiélectron) et d'un neutrino électronique.

p + 782 keV? → n + positron + neutrino

Dans un noyau atomique, l'instabilité du neutron est contrebalancée par celle qui serait acquise par le noyau dans son ensemble si un proton additionnel participait aux interactions répulsives des autres protons déjà présents. De cette façon, si les neutrons libres sont instables, les neutrons liés ne le sont pas forcément. En astrophysique, la stabilité du neutron peut être obtenue non plus par l’interaction forte mais par la gravitation. Une étoile à neutrons est un astre extrêmement dense dont la composition interne est majoritairement faite de neutrons maintenus ensemble par le très fort champ gravitationnel qu'ils génèrent du fait de leur grand nombre et de leur haute densité. La désintégration du neutron est cette fois rendue impossible par le principe d'exclusion de Pauli qui empêche les électrons ainsi produits de coexister en grand nombre.

Radioactivité

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

Le neutron étant globalement neutre, il ne produit pas directement d'ionisations en traversant la matière. En revanche, il peut avoir de nombreuses réactions avec les noyaux des atomes ( capture radiative, diffusion inélastique, réactions produisant des particules α ou d'autres neutrons, fission du noyau, etc.), produisant chacune des rayonnements ionisants. À ce titre, les neutrons sont considérés comme un rayonnement ionisant, soit un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse.

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