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Les neutrons explorent la matière

Introduction
Merkur
La tomographie par neutrons
Image tomographique de la sculpture romaine en bronze « Mercure de Thalwil », une exposition importante du Musée national suisse à Zurich.

Il est obligatoire d’utiliser des neutrons pour cette analyse non destructrice, car l’alliage est très riche en plomb. Les techniques usuelles de radiologie ne peuvent donc pas etre appliquées. Ces données ont été obtenues au centre de radiographie NEUTRA de la source de neutrons de spallation SINQ en Suisse (PSI à Villigen). http://neutra.web.psi.ch/

Regions showing high-degrees of corrosion are shown in red.

Image: Courtesy of Dr. Eberhard Lehman. .
Chadwick
Sir James Chadwick, 1935 Nobel prize.

Source Gonville & Caius College Web Site, Cambridge.

Presque tout le monde sait que les neutrons sont l’un des trois constituants élémentaires de la matière, avec les électrons et les protons. Toutefois, on a tendance à ignorer que les faisceaux de neutrons peuvent etre utilisés pour examiner la structure et la dynamique de la matière. Les neutrons permettent d’étudier un grand nombre de propriétés fondamentales dans plusieurs domaines, aussi bien en physique et en chimie, en science des matériaux, en biologie, en médecine qu’en sciences environnementales. L’intégration de la SwissNeutronics au réseau MaNEP nous a incités à présenter quelques informations élémentaires sur les neutrons, ainsi que quelques-uns des travaux effectués récemment par les scientifiques MaNEP à l’Institut Paul Scherrer (PSI), ou une source continue de neutrons est disponible.

Les applications actuelles
La diffusion neutronique est non seulement utilisée dans le cadre de recherches fondamentales en physique, mais elle a aussi de très nombreuses autres applications. Par exemple, les neutrons peuvent explorer en profondeur les matériaux servant à construire les avions. On peut ainsi voir à l’échelle microscopique ce qui influe sur les durées de fonctionnement de ces composants. De meme, la tomographie par neutrons permet d’effectuer des analyses intéressantes (voir image ci-contre). La diffusion neutronique améliore également notre connaissance des matériaux cristallins désordonnés, tels que les verres et les liquides, qui sont au centre de la communication optique, du génie chimique et biochimique, de la bromatologie, de l’industrie pharmaceutique et de la biologie moléculaire.

Consulter les résultats les plus récents sur http://sinq.web.psi.ch/

Histoire des sciences : L’homme qui découvrit le neutron
James Chadwick (1891-1974), physicien anglais, fit ses études à l’Université de Manchester et de Cambridge, et fut également l’élève de Hans Geiger à la Technische Hochschule à Berlin. À partir de 1923, il travailla avec Ernest Rutherford au laboratoire de Cavendish, à Cambridge, ou il étudia la transmutation des éléments suite à leur bombardement par des particules alpha. Ils analysèrent la nature des noyaux atomiques et découvrirent que le proton (le noyau de l’atome d’hydrogène) est l’un des constituants du noyau des autres atomes. En 1932, J. Chadwick fit une découverte fondamentale dans le domaine des sciences nucléaires : il prouva l’existence des neutrons.
J. Chadwick remarqua que le bombardement du béryllium par des particules alpha provoquait un rayonnement inconnu qui, à son tour, éjectait des protons provenant du noyau de plusieurs substances. J. Chadwick en conclut que ce rayonnement était composé de particules de masse plus ou moins égale à celle du proton, qui n’avaient cependant aucune charge électrique : les neutrons (voir ci-dessous). Cette découverte permit de provoquer des désintégrations atomiques puisque les neutrons, qui ne sont pas chargés électriquement, peuvent pénétrer dans le noyau atomique sans dévier de trajectoire. J. Chadwick reçut de nombreux prix et remporta le Prix Nobel de physique en 1935. Il fut également fait chevalier en 1945.
Article adapté de l’ Encyclopadia Britannica et des Nobel Lectures, publiées par Elsevier.

Qu’est-ce qu’un neutron ?
Un neutron est une particule subatomique électriquement neutre de masse plus ou moins égale à celle d’un proton qui se trouve généralement dans le noyau de tous les atomes (à l’exception de l’hydrogène).
Les sources de neutrons
Il est difficile d’obtenir des neutrons libres puisqu’il est pour cela nécessaire de rompre les forces nucléaires. Les faisceaux de neutrons peuvent etre produits par des réacteurs à fission nucléaire (par exemple à l’Institut Laue-Langevin à Grenoble) ou etre obtenus en bombardant une cible en métal lourd avec un faisceau de protons, comme la Source de Neutrons de Spallation (SINQ), située au PSI. Une source de spallation a l’avantage de générer un faisceau de neutrons extremement intense qui produit peu de chaleur, à la différence des sources traditionnelles d’énergie des réacteurs dont l’inconvénient est de dégager une chaleur extreme au cour du réacteur.
Les guides de neutrons
Les guides de neutrons sont nécessaires pour transporter ces derniers de la source jusqu’au matériau expérimental. Tout comme les miroirs lumineux, les guides de neutrons sont en verre poli recouvert de matériaux spéciaux réfléchissant les neutrons, tels que les supermiroirs Ni/Ti. Ils permettent de transporter des faisceaux de neutrons intenses sur de longues distances tout en garantissant une perte de neutrons minime.

Voir le concept de guide de neutrons mis au point par SwissNeutronics.

Pourquoi les neutrons constituent-ils une sonde polyvalente ?
Le type de rayonnement que produisent les faisceaux de neutrons a des propriétés qui font d’eux une sonde analytique extremement polyvalente et unique, comme il est expliqué ci-dessous.
Voir l’intérieur de la matière
Grâce à leur neutralité, les neutrons peuvent pénétrer la matière sans la détruire et sans presque aucune atténuation (seuls quelques éléments peuvent atténuer les faisceaux de neutrons), et nous donner ainsi accès à ses propriétés. Les neutrons interagissent différemment avec chacun des composants présents à l’intérieur de la matière. Ainsi, des éléments de nature similaire présentent des images très contrastées. Par ailleurs, les neutrons ont une longueur d’onde quasi équivalente à la distance entre les atomes. Ceci leur permet de « voir » la matière dans un rayon de 0,1 à 100 nm, et d’étudier les structures cristallines et la microstructure des matériaux.
Ressentir le magnétisme
Les neutrons possèdent un moment magnétique intrinsèque (nommé spin) qui les rend extremement sensibles aux propriétés magnétiques de la matière.
Sentir les vibrations
Les neutrons interagissent avec les atomes en mouvement à l’intérieur de la matière. Ils changent ainsi de vitesse et de direction, ce qui nous permet d’examiner et de mesurer les propriétés dynamiques de la matière.

Lire l’article scientifique de la lettre d’informations no 7.

La diffusion neutronique
La façon dont les neutrons se répandent dans la matière dépend des propriétés physiques des matériaux étudiés. Il est par conséquent possible d’explorer l’intérieur de ces matériaux (à la différence des sondes de surface). De telles analyses sont généralement connues sous le nom de « techniques de diffusion neutronique ». Bertram Brockhouse et Clifford Shull reçurent en 1994 le Prix Nobel de physique pour avoir contribué à de grandes avancées dans le développement de ces techniques.
En termes simples, les expériences sur la diffusion neutronique permettent de déterminer ou « sont » les atomes et ce qu’ils « font ».


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