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Les neutrons dans l’Univers : comment les rayons cosmiques produisent-ils ces mystérieuses particules ?
Le rayonnement neutronique, en tant que type de rayonnement ionisant, apparaît souvent sous la forme de neutrons libres. Ces particules mystérieuses proviennent généralement des phénomènes de fission nucléaire ou de fusion nucléaire, qui libèrent des neutrons libres lors de la réaction. Ces neutrons réagissent ensuite avec les noyaux d’autres atomes pour former de nouveaux isotopes, qui à leur tour peuvent déclencher un nouveau rayonnement neutronique. Comprendre les origines de ces particules et leur comportement est non seulement crucial pour les physiciens, mais a également des implications de grande portée pour la recherche dans des domaines tels que la biologie et la science des matériaux.
La durée de vie moyenne des neutrons libres est de 887 secondes (14 minutes 47 secondes), ce qui indique que leurs propriétés de désintégration sont assez particulières.
Sources de neutrons
Les neutrons peuvent être libérés par la fusion nucléaire, la fission nucléaire ou d'autres réactions nucléaires telles que la désintégration radioactive, ou par des interactions avec des particules provenant des rayons cosmiques. Les grandes sources de neutrons sont relativement rares et se trouvent généralement dans de grandes installations telles que des réacteurs nucléaires ou des accélérateurs de particules. La découverte du rayonnement neutronique est issue de l'observation d'une particule alpha entrant en collision avec un noyau de baryum, ce qui libère un neutron et le transforme en noyau de carbone, devenant ainsi une source importante de neutrons.
Les neutrons dans la fission nucléaire
Dans les réacteurs nucléaires, les neutrons sont généralement classés en neutrons lents (thermiques) ou rapides, qui se distinguent par leur énergie. La distribution énergétique des neutrons lents est similaire à la distribution de Maxwell-Boltzmann du gaz, ce qui fait qu'ils sont facilement capturés par les noyaux atomiques et deviennent ainsi le principal moyen de transformation nucléaire des éléments. Afin d’obtenir une réaction en chaîne de fission efficace, les neutrons produits par la fission nucléaire doivent être capturés par des noyaux fissiles, qui subissent ensuite une fission pour libérer davantage de neutrons.
Afin d'obtenir une absorption adéquate, un modérateur de neutrons est parfois nécessaire pour ralentir les neutrons rapides à la vitesse thermique pour une absorption efficace.
Les neutrons de l'univers
Les neutrons produits de manière cosmique sont générés dans l'atmosphère terrestre ou à la surface par le rayonnement cosmique, et ces neutrons ont généralement des niveaux d'énergie plus élevés que les neutrons produits dans les réacteurs. Lorsque ces neutrons interagissent avec les atomes d’azote 14, ils le convertissent en carbone 14, largement utilisé dans la datation au radiocarbone.
Applications des neutrons
Le rayonnement neutronique froid, chaud et thermique est couramment utilisé dans les expériences de diffusion et de diffraction pour évaluer les propriétés et la structure des matériaux en cristallographie, en physique de la matière condensée, en biologie et en science des matériaux. Le rayonnement neutronique est également utilisé dans la thérapie par capture de neutrons au bore pour lutter contre le cancer, ce qui en fait un traitement efficace en raison de sa forte pénétration et de son effet néfaste sur les structures cellulaires.
Mécanisme et caractéristiques de l'ionisation des neutrons
Le rayonnement neutronique est souvent appelé rayonnement ionisant indirect car il n’a pas de charge électrique et n’induit pas d’ionisation de la même manière. Lorsque les neutrons interagissent avec les atomes, ils peuvent entraîner la libération de rayons gamma par absorption de neutrons, ce qui à son tour entraîne l’élimination d’électrons d’autres atomes. Les neutrons, parce qu’ils n’ont pas de charge électrique, sont plus pénétrants que les rayonnements alpha ou bêta. Dans certains cas, son pouvoir de pénétration est même supérieur à celui du rayonnement gamma.
Risques pour la santé et protection
En physique sanitaire, le rayonnement neutronique est un danger radiologique. Un autre danger plus grave causé par le rayonnement neutronique est l’activation neutronique, qui est la capacité du rayonnement neutronique à induire une radioactivité dans la plupart des substances, y compris les tissus humains. Ce processus est déclenché par la capture de neutrons et entraîne souvent la libération de matières radioactives. C'est l'une des principales causes de libération de matières radioactives lors de l'explosion d'une arme nucléaire.
La protection contre le rayonnement neutronique repose sur un blindage contre les rayonnements. Les matériaux à forte teneur en hydrogène, comme l'eau ou le polyéthylène, sont des matériaux de blindage efficaces contre les neutrons.
Influence sur les matériaux
Les neutrons à haute énergie endommagent et dégradent les matériaux au fil du temps. Lorsque les neutrons bombardent les matériaux, ils créent une cascade de collisions qui provoque des défauts et des dislocations au sein du matériau, entraînant des modifications de la microstructure. Dans certains cas, cela pourrait avoir des conséquences importantes sur la durée de vie d’un réacteur nucléaire, car de tels dommages pourraient rendre les matériaux fragiles, qui pourraient éventuellement devoir être remplacés.
En résumé, les neutrons jouent un rôle mystérieux dans l’univers. À mesure que nous approfondissons notre compréhension de ces particules, les neutrons continueront d’être un sujet important de recherche future, tant dans la recherche scientifique que dans les applications qui profitent à la société humaine. Êtes-vous prêt à explorer ces mystérieux rayons cosmiques ?
