L'efficacité des neutrons lents

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L’efficacité des neutrons lents

Au cours de cette même année 1934, les physiciens italiens firent une autre découverte, d’importance majeure elle aussi. Ils s’aperçurent que l’interposition de matériaux contenant certains composés hydrogénés, comme l’eau ou la paraffine, entre la source de neutrons et leur cible conduisait à une augmentation considérable de la production d’isotopes radioactifs¹²¹. Très vite, Enrico Fermi proposa une interprétation. On se souvient qu’en raison de leur absence de charge électrique, les neutrons sont insensibles à la charge des noyaux et des électrons. Leur ralentissement : s’effectue donc principalement par collisions élastiques avec les noyaux du milieu qu’ils traversent. À ce jeu, les composés hydrogénés sont particulièrement efficaces. En effet, les protons qui constituent les noyaux d’hydrogène ont une masse sensiblement égale à celle des neutrons, et les lois de la mécanique montrent que ceux-ci peuvent donc leur transférer une énergie maximale au cours de chaque collision.

Mais pourquoi la probabilité de capture d’un neutron lent était-elle plus élevée que celle d’un neutron rapide ? Sur ce point Enrico Fermi fournit une explication quasi-immédiate : plus le neutron est lent, plus il reste longtemps à l’intérieur – ou à proximité – du noyau-cible, et plus la probabilité qu’il interagisse avec ce noyau est grande. De cette hypothèse, on peut déduire une loi de variation de la probabilité de capture du neutron P en raison inverse de la vitesse v du neutron. Cette loi en l/vn sera vérifiée expérimentalement.

Deux ans plus tard, en 1936, les britanniques Moon et Tillman découvrirent qu’un autre effet se superposait à cette augmentation continue de P lorsque v„ diminue. Lorsque la vitesse, donc l’énergie, du neutron devient très faible, la probabilité de capture peut, pour certains noyaux, passer par des maxima très intenses. Ce phénomène s’explique par deux raisons qui, toutes deux font appel à la mécanique quantique.La première, c’est qu’à ces faibles énergies, ce ne sont pas les dimensions du noyau-cible et du neutron qui interviennent au premier chef pour définir la probabilité d’interaction de ces deux particules, mais c’est la longueur d’onde associée au neutron . La seconde raison, c’est qu’il apparaît des phénomènes de « résonance » qui furent explicités la même année 1936 par Breit et Wigner. De son côté, et toujours en 1936, Niels Bohr mettait au point une théorie expliquant la façon dont le neutron s’unit au noyau cible pour former un « noyau composé » qui évolue ensuite pour donner naissance aux produits radioactifs observés expérimentalement.

Ainsi, quelques années seulement après la découverte des neutrons, les physiciens apprenaient à maîtriser ces nouveaux projectiles. On savait les ralentir à l’aide de composés contenant de l’hydrogène. On savait qu’alors, leur probabilité de réagir avec les noyaux cibles qu’ils rencontraient était considérablement accrue. On apprit aussi à les capturer plus ou moins efficacement en utilisant tel ou tel absorbant. Lorsque, avec le recul des années, on connaît la suite de l’histoire, on est saisi par son aspect dramatique. Dans cette Europe qui n’est pas encore déchirée par la guerre, les physiciens; sans le savoir, sont en train de réunir tous les ingrédients nécessaires à la réalisation de la prochaine arme, une bombe dont la puissance surclassera toutes les autres et dont la possession sera décisive. Pour le moment, c’est Rome, avec l’équipe de Fermi, qui tient le premier rôle, mais les autres capitales ne vont pas tarder à entrer en scène.