Introduction
Le neutron est l'une des trois particules fondamentales constituant la matière ordinaire, aux côtés du proton et de l'électron. Découvert en 1932, ce constituant clé du noyau atomique, de charge électrique nulle et d'une masse légèrement supérieure à celle du proton, a résolu des énigmes majeures de la physique et a été le catalyseur de l'ère nucléaire. Sa nature unique en fait un outil indispensable pour la recherche fondamentale et appliquée.
Description
Le neutron est un baryon, une particule composite appartenant à la famille des hadrons. Il n'est pas élémentaire mais est lui-même composé de trois quarks : un quark up (charge +2/3) et deux quarks down (charge -1/3 chacun), ce qui explique sa charge électrique nette nulle. Sa masse est d'environ 1,67492749804 × 10⁻²⁷ kg, soit 1,008665 unités de masse atomique, légèrement plus lourde que le proton. Dans le noyau atomique, les neutrons, avec les protons (collectivement appelés nucléons), sont maintenus ensemble par l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales, qui surmonte la répulsion électrostatique entre les protons. En dehors d'un noyau, un neutron libre est instable et subit une désintégration bêta avec une demi-vie moyenne d'environ 14 minutes et 40 secondes, se transformant en un proton, un électron et un antineutrino électronique.
Histoire
L'histoire de la découverte du neutron est marquée par des expériences ambiguës et une course intellectuelle. Dans les années 1920, on connaissait le noyau atomique (découvert par Rutherford) et le proton, mais la masse des noyaux (sauf l'hydrogène) était trop grande par rapport à leur charge. On postulait l'existence de particules neutres. En 1930, Walther Bothe et Herbert Becker bombardèrent du béryllium avec des particules alpha et observèrent un rayonnement pénétrant non chargé, qu'ils prirent pour des rayons gamma de haute énergie. En 1932, Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrirent que ce 'rayonnement' pouvait éjecter des protons de haute énergie de la paraffine riche en hydrogène, une observation difficile à expliquer avec des photons. C'est James Chadwick, collaborateur de Rutherford au Cavendish Laboratory, qui interpréta correctement ces résultats. Il réalisa des expériences quantitatives prouvant que le rayonnement était composé de particules de masse proche de celle du proton, mais sans charge : les neutrons. Il publia sa découverte dans un article historique en février 1932, 'Possible Existence of a Neutron', ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1935.
Caracteristiques
Les principales caractéristiques du neutron sont : sa charge électrique nulle, ce qui lui permet de pénétrer profondément dans la matière et d'interagir directement avec les noyaux atomiques sans être repoussé ; son moment magnétique non nul, bien que neutre, dû à la distribution interne de ses quarks chargés ; son spin de 1/2, en faisant un fermion obéissant au principe d'exclusion de Pauli ; son instabilité sous forme libre, se désintégrant par l'interaction faible ; et sa sensibilité à l'interaction forte, qui le lie aux autres nucléons. Les neutrons sont classés par leur énergie cinétique : neutrons thermiques (environ 0,025 eV, en équilibre avec la matière à température ambiante), neutrons épithermiques, neutrons rapides (supérieurs à 1 MeV) et neutrons froids (très basse énergie).
Importance
L'importance du neutron est colossale. Sur le plan théorique, il a permis de comprendre la structure isotopique des éléments (atomes de même numéro atomique mais de nombre de neutrons différent), la stabilité des noyaux et les mécanismes de la radioactivité. Sur le plan pratique, il est au cœur des technologies nucléaires. La découverte de la fission nucléaire en 1938 par Hahn, Strassmann, Meitner et Frisch repose sur l'absorption d'un neutron par un noyau lourd comme l'uranium-235. Cela a conduit aux réacteurs nucléaires (où une réaction en chaîne contrôlée produit de l'énergie) et aux armes nucléaires (réaction en chaîne non contrôlée). Les neutrons sont aussi des sondes uniques pour la science des matériaux et la biologie (diffraction neutronique) car ils permettent de 'voir' les atomes légers comme l'hydrogène et de sonder les propriétés magnétiques. En astrophysique, la synthèse des éléments lourds dans les étoiles (processus R et S) se fait par capture neutronique. En médecine, la radiothérapie par neutrons capture (BNCT) est une technique prometteuse pour traiter certains cancers.
