How big is Neutron?

Un neutron est une particule sans charge électrique, présente avec les protons dans le noyau de presque tous les atomes. Il mesure environ 1,7 femtomètre de diamètre, une valeur obtenue en doublant son rayon magnétique, qui décrit la façon dont son magnétisme est réparti. Un femtomètre vaut un millionième de milliardième de mètre (10⁻¹⁵ mètre).

Taille

Un neutron n'a pas de surface dure. Il est constitué de trois particules plus petites appelées quarks — un quark up et deux quarks down —, maintenues ensemble par la force forte, la même force qui lie neutrons et protons dans un noyau. Le quark up porte une charge positive et les quarks down portent des charges négatives ; ensemble, ces charges s'annulent.

La taille d'un proton se mesure à partir de la répartition de sa charge électrique, mais cette méthode ne fonctionne pas pour un neutron. Ses charges positive et négative sont réparties différemment l'une de l'autre, si bien que la mesure habituelle de la taille de charge donne un nombre négatif, ce qui ne peut pas être une largeur. Les physiciens utilisent donc le magnétisme du neutron à la place.

Un neutron se comporte comme un minuscule aimant. Le Particle Data Group, qui rassemble les mesures de particules réalisées dans le monde entier, donne pour le rayon moyen de ce magnétisme la valeur de 0,864 femtomètre, connue à environ 1 % près. Des expériences de diffusion montrent aussi que neutrons et protons sont de taille à peu près identique.

Comparaisons de taille

Un neutron est à peu près de la même taille qu'un proton. Mesurés de la même façon, par leur magnétisme, leurs rayons diffèrent de moins de 2 %.
Un noyau d'hélium, composé de deux neutrons et deux protons, mesure environ 3,4 femtomètres de diamètre, soit environ deux fois la largeur d'un seul neutron.
Si un neutron était agrandi à la taille d'un ballon de basket, le noyau du type d'uranium le plus courant, qui compte 146 neutrons et 92 protons, mesurerait environ 1,6 mètre de diamètre.
Environ 60 milliards de neutrons alignés côte à côte couvriraient la largeur d'un cheveu humain, soit environ 0,1 millimètre.

Comment le neutron a été découvert

En 1930, Walther Bothe et Herbert Becker ont bombardé du béryllium, un métal, avec des particules alpha, c'est-à-dire des noyaux d'hélium. Celui-ci a émis un rayonnement puissant et pénétrant, que certains physiciens ont pris pour un rayonnement de haute énergie du même type que la lumière. En 1932, James Chadwick, travaillant au laboratoire Cavendish, à Cambridge, en Angleterre, a montré que ce rayonnement était constitué de particules neutres dont la masse était à peu près celle d'un proton. Ernest Rutherford avait suggéré que de telles particules pouvaient exister dans les noyaux ; elles furent appelées neutrons.

Comme un neutron n'a pas de charge, la charge positive d'un noyau ne le repousse pas. Les neutrons peuvent donc atteindre et fissionner même les noyaux les plus lourds, et la découverte de Chadwick a ouvert la voie à la fission de l'uranium. Il a reçu pour cela le prix Nobel de physique 1935.

Un neutron isolé

Hors d'un noyau, un neutron ne survit pas longtemps. Il subsiste en moyenne environ 15 minutes (878 secondes) avant de se désintégrer en un proton, un électron et une particule appelée antineutrino. Un neutron est légèrement plus lourd qu'un proton, d'environ 0,14 %.