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Le neutron: particule et onde

Pour la plupart des expériences menées avec des neutrons, il est capital que les neutrons se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes, conformément aux lois de la physique quantique. En effet, la plupart des expériences de diffusion des neutrons mettent à profit les phénomènes d'interférence qui surviennent lorsque plusieurs ondes se superposent.

Les neutrons mettent les structures en évidence

On peut donc par conséquent imposer aussi une longueur d'onde aux neutrons. Celle-ci est à peu près égale à celle des structures étudiées, ce qui est la condition essentielle pour pouvoir réaliser les expériences de diffusion et pour la détermination des structures. Néanmoins il convient d'utiliser un microscope de haute puissance car avec un microscope optique, ces structures seraient beaucoup trop petites pour être visibles. Les analyses faites avec des neutrons et d'autres particules sondes, comme par exemple des rayons X, sont complémentaires. Certains atomes sont bien révélés par un type de sonde alors qu'ils sont presque invisibles pour un autre type.

Les neutrons mettent le mouvement en évidence

De plus, avec des neutrons, il est aussi possible d'étudier les processus de mouvement à l'intérieur d'un solide, par exemple lorsque des atomes du réseau cristallin vibrent en direction les uns des autres. Au cours de l'expérience, on envoie un faisceau de neutrons de vitesse déterminée à travers un échantillon et on mesure la variation de vitesse - et donc d'énergie cinétique - due à l'interaction avec l'échantillon. Le changement d'énergie des neutrons correspond alors à l'énergie d'un possible mouvement dans le solide étudié.

Les neutrons mettent le magnétisme en évidence

Dans beaucoup de matériaux, les atomes portent un moment magnétique. En fait ils se comportent, d'une certaine façon, comme de minuscules aimants droits. Leur disposition détermine les propriétés magnétiques du matériau. Les neutrons permettent de recueillir des informations sur cette structure magnétique. Les neutrons portent eux-mêmes un moment magnétique et en traversant l'échantillon comme de minuscules aiguilles de boussole, favorisent la collecte des informations sur sa structure magnétique.

Les neutrons sont l'une des rares sondes microscopiques à pénétrer profondément dans les matériaux examinés. Ils donnent ainsi des renseignements sur des structures profondément enfouies à l'intérieur des solides ou des liquides. Les neutrons ont une particularité l'absence de charge électrique. Ils interagissent donc pratiquement qu'avec les noyaux atomiques du matériau examiné et pas avec les électrons qui occupent dans la matière la plus grande partie de l'espace.

Les neutrons mettent l'hydrogène en évidence

Les atomes d'hydrogène sont quasiment invisibles sous les rayons X,. Par contre, les neutrons peuvent révéler très nettement la présence d'hydrogène. C'est important pour l'étude des substances biologiques, mais aussi pour les procédés d'imagerie, dans lesquels eau et substances organiques peuvent être rendus nettement visibles, même derrière un épais boîtier métallique.

Les neutrons objets d'étude

Au PSI, les neutrons ne sont pas seulement un outil, mais aussi un objet de recherche. La recherche du moment dipolaire électrique du neutron doit contribuer à en savoir plus sur le modèle standard de la physique des particules élémentaires.