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Auteur(s)
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Jean-Pierre COTTON : Docteur ès sciences - Physicien au laboratoire Léon-Brillouin (CEA-CNRS) - Commissariat à l'énergie atomique (CE Saclay)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le neutron est une particule neutre qui, ignorant les cortèges électroniques des atomes, interagit avec leur noyau et leur moment magnétique. La diffusion des neutrons est utilisée pour déterminer la structure statique et dynamique de la matière condensée de façon très analogue aux techniques de diffusion et de diffraction de lumière et de rayons X. Les temps de mesures sont d’ailleurs analogues (de 10 min à 10 h). Comme les sources de neutrons sont difficiles d’accès, cette technique est réservée aux expériences où elle est indispensable, c’est-à-dire, essentiellement :
-
pour situer la position dans l’espace et dans le temps des atomes d’hydrogène, surtout au sein de systèmes comprenant des atomes lourds ;
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lorsque le contraste entre les noyaux permet seul l’expérience ou que la substitution isotopique est utilisée comme méthode de marquage ;
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pour déterminer la structure spatio-temporelle des moments magnétiques d’un échantillon ;
-
pour déterminer les courbes de dispersion de phonons ou de magnons ;
-
lorsque l’opacité de l’échantillon ne permet pas son étude en diffusion de lumière ou que l’expérience nécessite une épaisseur d'échantillon trop importante pour utiliser la diffraction de rayons X.
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Appareillage1. Rappels théoriques
Ce sont les travaux de E. Fermi, C.G. Shull et N.B. Brockhouse [1, 2, 3] qui sont essentiellement à l’origine de la diffraction et de la spectrométrie des neutrons. Cette technique est devenue une méthode classique [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14] d’étude de la structure microscopique de la matière très analogue à celles, plus anciennes, de diffusion de lumière et de rayons X (cf. articles [67, 68] des Techniques de l’Ingénieur) dont elle complète bon nombre d’applications. Son originalité provient des propriétés des neutrons.
Un neutron est une particule dont la masse m = 1,675.10 −27 kg est 1 836 fois celle de l’électron, dont la charge électrique est nulle et dont le spin σ est 1/2. L’énergie d'un neutron E est reliée à sa vitesse v par la relation
. À cette particule est associée une onde plane de vecteur d’onde
et de longueur d’onde λ. Le vecteur
a la direction du faisceau et a pour module
. L’énergie E s’exprime également suivant les relations :
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