Neutron - Définition

Introduction

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

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

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

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

Caractéristiques

Description

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

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

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

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

Le neutron possède une antiparticule, l'antineutron.

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

Stabilité

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

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

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

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

Dans un noyau atomique, l'instabilité du neutron est contre-balancée par celle qui serait acquise par le noyau dans son ensemble si un proton additionnel participait aux interactions répulsives des autres protons déjà présents. De cette façon, si les neutrons libres sont instables, les neutrons liés ne le sont pas forcément.

Radioactivité

La radioactivité produit des neutrons libres. Ces neutrons peuvent être absorbés par les noyaux d'autres atomes qui peuvent alors devenir instables. Ils peuvent aussi provoquer une fission nucléaire par collision avec le noyau.

Le neutron étant globalement neutre, il ne produit pas directement d'ionisations en traversant la matière. En revanche, il peut avoir de nombreuses réactions avec les noyaux des atomes (capture radiative, diffusion inélastique, réactions produisant des particules alpha ou d'autres neutrons, fission du noyau, 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.