Le neutron est une particule neutre appartenant à la classe des hadrons. Découvert en 1932 par le physicien anglais J. Chadwick. Avec les protons, les neutrons font partie des noyaux atomiques. La charge électrique du neutron est nulle. Ceci est confirmé par des mesures directes de la charge de la déviation du faisceau de neutrons dans des champs électriques forts, qui ont montré que (voici la charge électrique élémentaire, c'est-à-dire la valeur absolue de la charge de l'électron). Les données indirectes donnent une estimation. Le spin des neutrons est 1/2. En tant que hadron de spin demi-entier, il appartient au groupe des baryons (voir Proton). Chaque baryon a une antiparticule ; L'antineutron a été découvert en 1956 dans des expériences sur la diffusion d'antiprotons par des noyaux. L'antineutron diffère du neutron par le signe de la charge du baryon ; un neutron, comme un proton, a une charge de baryon.
Comme le proton et les autres hadrons, le neutron n'est pas une véritable particule élémentaire : il est constitué d'un quark m chargé électriquement et de deux quarks chargés - , reliés entre eux par un champ de gluons (voir Particules élémentaires, Quarks, Interactions fortes ).
Les neutrons ne sont stables que dans les noyaux atomiques stables. Un neutron libre est une particule instable qui se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino électronique (voir désintégration bêta) :. La durée de vie d'un neutron est s, soit environ 15 min. Les neutrons existent sous forme libre dans la matière encore moins du fait de la forte absorption par leurs noyaux. Par conséquent, ils apparaissent dans la nature ou sont obtenus en laboratoire uniquement à la suite de réactions nucléaires.
Selon le bilan énergétique de diverses réactions nucléaires, on détermine la valeur de la différence entre les masses d'un neutron et d'un proton : MeV. En la comparant à la masse du proton, on obtient la masse du neutron : MeV ; cela correspond à r, ou , où est la masse de l'électron.
Le neutron participe à toutes sortes d'interactions fondamentales (voir Unité des forces de la nature). Les interactions fortes lient les neutrons et les protons dans les noyaux atomiques. Un exemple d'interaction faible - la désintégration bêta des neutrons - a déjà été considéré ici. Cette particule neutre participe-t-elle aux interactions électromagnétiques ? Le neutron a une structure interne, et en cas de neutralité générale il y a des courants électriques dans celui-ci, conduisant notamment à l'apparition d'un moment magnétique dans le neutron. Autrement dit, dans un champ magnétique, un neutron se comporte comme une aiguille de boussole.
Ceci n'est qu'un exemple de son interaction électromagnétique.
La recherche du moment dipolaire électrique du neutron a acquis un grand intérêt, pour lequel la limite supérieure a été obtenue : . Ici, les scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de Leningrad de l'Académie des sciences de l'URSS ont réussi à réaliser les expériences les plus efficaces. Les recherches du moment dipolaire des neutrons sont importantes pour comprendre les mécanismes de violation de l'invariance par rapport au retournement temporel dans les microprocessus (voir parité).
Les interactions gravitationnelles des neutrons ont été observées directement à partir de leur incidence dans le champ gravitationnel terrestre.
Désormais, une classification conditionnelle des neutrons en fonction de leur énergie cinétique a été adoptée : neutrons lents eV, il en existe de nombreuses variétés), neutrons rapides (eV), eV de haute énergie). Des propriétés très intéressantes ont des neutrons très lents (eV), dits ultrafroids. Il s'est avéré que les neutrons ultrafroids peuvent s'accumuler dans des "pièges magnétiques" et même leurs spins peuvent y être orientés dans une certaine direction. En utilisant des champs magnétiques d'une configuration spéciale, les neutrons ultrafroids sont isolés des parois absorbantes et peuvent "vivre" dans un piège jusqu'à ce qu'ils se désintègrent. Cela permet de nombreuses expériences subtiles pour étudier les propriétés des neutrons.
Une autre méthode de stockage des neutrons ultrafroids est basée sur leurs propriétés ondulatoires. À basse énergie, la longueur d'onde de de Broglie (voir Mécanique quantique) est si grande que les neutrons sont réfléchis par les noyaux de la matière, tout comme la lumière est réfléchie par un miroir. De tels neutrons peuvent simplement être stockés dans une "banque" fermée. Cette idée a été avancée par le physicien soviétique Ya.B. Zel'dovich à la fin des années 1950, et les premiers résultats ont été obtenus à Doubna à l'Institut commun de recherche nucléaire près d'une décennie plus tard. Récemment, des scientifiques soviétiques ont réussi à construire un vaisseau dans lequel les neutrons ultrafroids vivent jusqu'à leur désintégration naturelle.
Les neutrons libres sont capables d'interagir activement avec les noyaux atomiques, provoquant des réactions nucléaires. En raison de l'interaction des neutrons lents avec la matière, on peut observer des effets de résonance, de diffusion par diffraction dans les cristaux, etc.. En raison de ces caractéristiques, les neutrons sont largement utilisés en physique nucléaire et en physique du solide. Ils jouent un rôle important dans l'ingénierie de l'énergie nucléaire, dans la production d'éléments transuraniens et d'isotopes radioactifs, et trouvent des applications pratiques dans l'analyse chimique et l'exploration géologique.
Qu'est-ce qu'un neutron ? Cette question se pose le plus souvent chez les personnes qui ne sont pas impliquées dans la physique nucléaire, car le neutron qu'il contient est compris comme une particule élémentaire sans charge électrique et dont la masse est 1838,4 fois supérieure à celle de l'électronique. Avec le proton, dont la masse est légèrement inférieure à la masse du neutron, c'est la "brique" du noyau atomique. En physique des particules élémentaires, le neutron et le proton sont considérés comme deux formes différentes d'une seule particule - le nucléon.
Le neutron est présent dans la composition des noyaux d'atomes pour chaque élément chimique, la seule exception étant l'atome d'hydrogène dont le noyau est un proton. Qu'est-ce qu'un neutron, quelle est sa structure ? Bien qu'on l'appelle la "brique" élémentaire du noyau, elle a toujours sa propre structure interne. En particulier, il appartient à la famille des baryons et se compose de trois quarks, dont deux de type down et un de type up. Tous les quarks ont une charge électrique fractionnaire : celui du haut est chargé positivement (+2/3 de la charge électronique) et celui du bas est chargé négativement (-1/3 de la charge électronique). C'est pourquoi le neutron n'a pas de charge électrique, car il est simplement compensé par les quarks qui le composent. Cependant, le moment magnétique du neutron n'est pas nul.
Dans la composition du neutron, dont la définition a été donnée plus haut, chaque quark est relié aux autres à l'aide d'un champ de gluons. Le gluon est la particule responsable de la formation des forces nucléaires.
En plus de la masse en kilogrammes et des unités de masse atomique, en physique nucléaire, la masse d'une particule est également décrite en GeV (gigaélectronvolts). Cela est devenu possible après la découverte par Einstein de sa célèbre équation E=mc 2 , qui relie l'énergie à la masse. Qu'est-ce qu'un neutron en GeV ? Il s'agit d'une valeur de 0,0009396, légèrement supérieure à celle du proton (0,0009383).
Stabilité du neutron et des noyaux atomiques
La présence de neutrons dans les noyaux atomiques est très importante pour leur stabilité et la possibilité de l'existence de la structure atomique elle-même et de la matière en général. Le fait est que les protons, qui constituent également le noyau atomique, ont une charge positive. Et leur approche à courte distance nécessite la dépense d'énormes énergies dues à la répulsion électrique coulombienne. Les forces nucléaires agissant entre les neutrons et les protons sont de 2 à 3 ordres de grandeur plus fortes que celles de Coulomb. Par conséquent, ils sont capables de maintenir les particules chargées positivement à des distances proches. Les interactions nucléaires sont à courte portée et ne se manifestent qu'à l'intérieur de la taille du noyau.
La formule des neutrons est utilisée pour trouver leur nombre dans le noyau. Cela ressemble à ceci : le nombre de neutrons = la masse atomique de l'élément - le numéro atomique dans le tableau périodique.
Un neutron libre est une particule instable. Sa durée de vie moyenne est de 15 minutes, après quoi il se désintègre en trois particules :
- électron;
- proton;
- antineutrino.
Prérequis pour la découverte du neutron
L'existence théorique du neutron en physique a été proposée en 1920 par Ernest Rutherford, qui a tenté d'expliquer de cette manière pourquoi les noyaux atomiques ne se désagrègent pas en raison de la répulsion électromagnétique des protons.
Encore plus tôt, en 1909 en Allemagne, Bothe et Becker ont établi que si des éléments légers, tels que le béryllium, le bore ou le lithium, sont irradiés avec des particules alpha à haute énergie de polonium, alors un rayonnement se forme qui traverse n'importe quelle épaisseur de divers matériaux. Ils ont supposé qu'il s'agissait d'un rayonnement gamma, mais aucun de ces rayonnements connus à l'époque n'avait un tel pouvoir de pénétration. Les expériences de Bothe et Becker n'ont pas été correctement interprétées.
Découverte du neutron
L'existence du neutron a été découverte par le physicien anglais James Chadwick en 1932. Il a étudié le rayonnement radioactif du béryllium, mené une série d'expériences, obtenant des résultats qui ne coïncidaient pas avec ceux prédits par les formules physiques: l'énergie du rayonnement radioactif dépassait de loin les valeurs théoriques et la loi de conservation de la quantité de mouvement était également violée. Il fallait donc accepter l'une des hypothèses :
- Ou le moment cinétique n'est pas conservé dans les processus nucléaires.
- Ou le rayonnement radioactif est constitué de particules.
Le scientifique a rejeté la première hypothèse, car elle contredit les lois physiques fondamentales, il a donc accepté la deuxième hypothèse. Chadwick a montré que le rayonnement dans ses expériences était formé de particules de charge nulle, qui ont un fort pouvoir de pénétration. De plus, il a pu mesurer la masse de ces particules, établissant qu'elle est légèrement plus grande que celle d'un proton.
Neutrons lents et rapides
Selon l'énergie que possède un neutron, il est dit lent (de l'ordre de 0,01 MeV) ou rapide (de l'ordre de 1 MeV). Une telle classification est importante car certaines de ses propriétés dépendent de la vitesse du neutron. En particulier, les neutrons rapides sont bien capturés par les noyaux, conduisant à la formation de leurs isotopes, et provoquant leur fission. Les neutrons lents sont mal capturés par les noyaux de presque tous les matériaux, ils peuvent donc facilement traverser d'épaisses couches de matière.
Le rôle du neutron dans la fission du noyau d'uranium
Si vous vous demandez ce qu'est un neutron dans l'énergie nucléaire, alors nous pouvons dire avec certitude qu'il s'agit d'un moyen d'induire le processus de fission du noyau d'uranium, accompagné de la libération d'une grande énergie. Cette réaction de fission produit également des neutrons de différentes vitesses. À leur tour, les neutrons générés induisent la désintégration d'autres noyaux d'uranium, et la réaction se déroule en chaîne.
Si la réaction de fission de l'uranium n'est pas contrôlée, cela conduira à une explosion du volume de réaction. Cet effet est utilisé dans les bombes nucléaires. La réaction de fission contrôlée de l'uranium est la source d'énergie des centrales nucléaires.
Qu'est-ce qu'un neutron ? Quelles sont sa structure, ses propriétés et ses fonctions ? Les neutrons sont les plus grosses des particules qui composent les atomes, qui sont les éléments constitutifs de toute matière.
Structure atomique
Les neutrons sont situés dans le noyau - une région dense de l'atome, également remplie de protons (particules chargées positivement). Ces deux éléments sont maintenus ensemble par une force appelée nucléaire. Les neutrons ont une charge neutre. La charge positive du proton correspond à la charge négative de l'électron pour créer un atome neutre. Bien que les neutrons dans le noyau n'affectent pas la charge d'un atome, ils ont de nombreuses propriétés qui affectent un atome, y compris le niveau de radioactivité.
Neutrons, isotopes et radioactivité
Une particule qui se trouve dans le noyau d'un atome - un neutron est 0,2% plus grand qu'un proton. Ensemble, ils représentent 99,99 % de la masse totale d'un même élément et peuvent avoir un nombre différent de neutrons. Lorsque les scientifiques se réfèrent à la masse atomique, ils veulent dire la masse atomique moyenne. Par exemple, le carbone a généralement 6 neutrons et 6 protons avec une masse atomique de 12, mais parfois il se produit avec une masse atomique de 13 (6 protons et 7 neutrons). Le carbone de numéro atomique 14 existe aussi, mais il est rare. Ainsi, la masse atomique du carbone est en moyenne de 12,011.
Lorsque les atomes ont des nombres différents de neutrons, ils sont appelés isotopes. Les scientifiques ont trouvé des moyens d'ajouter ces particules au noyau pour créer de grands isotopes. Maintenant, l'ajout de neutrons n'affecte pas la charge de l'atome, car ils n'ont pas de charge. Cependant, ils augmentent la radioactivité de l'atome. Cela peut entraîner des atomes très instables qui peuvent décharger des niveaux élevés d'énergie.
Qu'est-ce qu'un noyau ?
En chimie, le noyau est le centre chargé positivement d'un atome, composé de protons et de neutrons. Le mot « noyau » vient du noyau latin, qui est une forme du mot signifiant « noix » ou « noyau ». Le terme a été inventé en 1844 par Michael Faraday pour décrire le centre d'un atome. Les sciences impliquées dans l'étude du noyau, l'étude de sa composition et de ses caractéristiques, s'appellent la physique nucléaire et la chimie nucléaire.
Les protons et les neutrons sont maintenus ensemble par la force nucléaire forte. Les électrons sont attirés par le noyau, mais se déplacent si vite que leur rotation s'effectue à une certaine distance du centre de l'atome. La charge nucléaire positive provient des protons, mais qu'est-ce qu'un neutron ? C'est une particule qui n'a pas de charge électrique. Presque tout le poids d'un atome est contenu dans le noyau, puisque les protons et les neutrons ont beaucoup plus de masse que les électrons. Le nombre de protons dans un noyau atomique détermine son identité en tant qu'élément. Le nombre de neutrons indique quel isotope d'un élément est un atome.
Taille du noyau atomique
Le noyau est beaucoup plus petit que le diamètre global de l'atome car les électrons peuvent être plus éloignés du centre. Un atome d'hydrogène est 145 000 fois plus grand que son noyau et un atome d'uranium est 23 000 fois plus grand que son centre. Le noyau d'hydrogène est le plus petit car il est constitué d'un seul proton.
Localisation des protons et des neutrons dans le noyau
Le proton et les neutrons sont généralement représentés comme entassés et uniformément répartis sur des sphères. Cependant, il s'agit d'une simplification de la structure réelle. Chaque nucléon (proton ou neutron) peut occuper un certain niveau d'énergie et une gamme d'emplacements. Bien que le noyau puisse être sphérique, il peut également être en forme de poire, globuleux ou en forme de disque.
Les noyaux des protons et des neutrons sont des baryons, constitués des plus petits, appelés quarks. La force d'attraction a une portée très courte, de sorte que les protons et les neutrons doivent être très proches les uns des autres pour être liés. Cette forte attraction surmonte la répulsion naturelle des protons chargés.
Proton, neutron et électron
La découverte du neutron (1932) a donné une impulsion puissante au développement d'une science telle que la physique nucléaire. Merci pour cela devrait être un physicien anglais qui était un étudiant de Rutherford. Qu'est-ce qu'un neutron ? Il s'agit d'une particule instable qui, à l'état libre en seulement 15 minutes, est capable de se désintégrer en un proton, un électron et un neutrino, la soi-disant particule neutre sans masse.
La particule tire son nom du fait qu'elle n'a pas de charge électrique, elle est neutre. Les neutrons sont extrêmement denses. Dans un état isolé, un neutron aura une masse de seulement 1,67·10 - 27, et si vous prenez une cuillère à café densément remplie de neutrons, le morceau de matière résultant pèsera des millions de tonnes.
Le nombre de protons dans le noyau d'un élément s'appelle le numéro atomique. Ce numéro donne à chaque élément sa propre identité unique. Dans les atomes de certains éléments, comme le carbone, le nombre de protons dans les noyaux est toujours le même, mais le nombre de neutrons peut varier. Un atome d'un élément donné avec un certain nombre de neutrons dans le noyau est appelé un isotope.
Les neutrons isolés sont-ils dangereux ?
Qu'est-ce qu'un neutron ? Il s'agit d'une particule qui, avec le proton, est incluse dans Cependant, ils peuvent parfois exister seuls. Lorsque les neutrons se trouvent à l'extérieur des noyaux des atomes, ils acquièrent des propriétés potentiellement dangereuses. Lorsqu'ils se déplacent à grande vitesse, ils produisent des radiations mortelles. Connues pour leur capacité à tuer les humains et les animaux, les soi-disant bombes à neutrons ont un impact minimal sur les structures physiques non vivantes.
Les neutrons sont une partie très importante d'un atome. La haute densité de ces particules, combinée à leur vitesse, leur confère une puissance et une énergie destructrice extraordinaires. En conséquence, ils peuvent altérer voire déchirer les noyaux des atomes qui frappent. Bien que le neutron ait une charge électrique nette neutre, il est composé de composants chargés qui s'annulent en termes de charge.
Le neutron dans un atome est une minuscule particule. Comme les protons, ils sont trop petits pour être vus même avec un microscope électronique, mais ils sont là parce que c'est la seule façon d'expliquer le comportement des atomes. Les neutrons sont très importants pour la stabilité d'un atome, mais en dehors de son centre atomique, ils ne peuvent exister longtemps et se désintègrent en moyenne en seulement 885 secondes (environ 15 minutes).
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