Pourquoi les noyaux de neutrons ne semblent pas exister?

[invite51723682]

Bonjour,

C'est tout bête, il y a l'interaction forte entre les nucleons, alors pourquoi il n'y a pas de " noyaux de neutrons"?

Existe-t-il une forme d'interaction destabilisante pour ce genre d'édifice?
si oui, elle est assez discrète....

Si quelqu'un a une explication???

Par avance merci pour mes élèves et moi

Reghen

[invite7ce6aa19]

Bonjour,

C'est tout bête, il y a l'interaction forte entre les nucleons, alors pourquoi il n'y a pas de " noyaux de neutrons"?

Existe-t-il une forme d'interaction destabilisante pour ce genre d'édifice?
si oui, elle est assez discrète....

Si quelqu'un a une explication???

Par avance merci pour mes élèves et moi

Reghen

Bonjour,


C'est lié aux principes fondamentaux de la MQ.

Les électrons dans l'atome.

Dans l'état fondamental d' un atome à N électrons on ne peut pas assembler des électrons ayant le même spin. Cela est due au Principe de Pauli qui favorise les assemblages de faibles spin total (pour minimiser l'énergie totale).

Les nucléons dans les noyaux

Pour les assemblages de neutrons et de protons, c'est exactement la même chose. On montre que le couple neutrons protons forme ensemble un isospin cad une entité physique qui a les mêmes propriétés mathématique que le spin.

Donc les noyaux nucléaires dans leur état fondamental auront tendance a égaliser le nombre de neutrons et le nombre de protons de la même façon que les atomes ont tendance a égaliser le nombre de spins up et le nombre de spin down.

[invite4b0d1657]

Et l'étoile à neutron ? C’est pas un GROS, un énorme, un gigantesque, un monstrueux "noyau de neutrons" ?

[obi76]

Et l'étoile à neutron ? C’est pas un GROS, un énorme, un gigantesque, un monstrueux "noyau de neutrons" ?

Oui d'ailleurs parlons-en, ils sont partis ou les protons ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite7ce6aa19]

Oui d'ailleurs parlons-en, ils sont partis ou les protons ?

Bonjour,

Ils se sont transformés en neutrons en émettant un rayonnement de particules chargées qui abaissent l'énergie totale en se débarrassant de l'énergie électrostatique.

D'ailleurs, a priori et en toute logique, il y a à la surface d'une étoile à neutrons autant de protons que de neutrons pusique l'interaction gravitationnelle est faible.

A l'opposé au centre d'une étoile à neutron il y a des particules étranges crées résultant de l'intensité élevée des interactions gravitationnelles.

[invite51723682]

Effectivement c'est éclairant,les neutrons sont des fermions mais cela n'interdit pas d'imaginer une distribution de neutrons dans un agrégat selon Pauli sous l'influence de l'interaction forte.

Cela donnera une structure particulière aux noyaux de neutrons mais ça n'interdit pas l'agrégation (c'est comme cela que je comprends la réparation des électrons dans l'atome)

Pour les étoiles à neutrons je n'y connais rien, mais voilà deux petites questions intéressantes, à creuser...

[invite7ce6aa19]

Effectivement c'est éclairant,les neutrons sont des fermions mais cela n'interdit pas d'imaginer une distribution de neutrons dans un agrégat selon Pauli sous l'influence de l'interaction forte.

C'est pas excatement çà.

Autre angle d'explication:


En physique atomique supposons que l'on a seulement des états s de moment cinétique nulle numéroté 0, 1, 2, 3, etc....(ce choix uniquement pour des questions de pédagogie).

On remplit chaque états "s" avec un électron up et un électron down. on voit aainsi que le spin total est 0 ou 1/2.


En physique nucléaire, même chose, supposons que l'on ait que des états "s".

Dans ce cas on peut mettre, au maximum, 4 nucléons par niveaux "s" a savoir 2 neutrons avec avec le spin up et le spin down et un proton avec le spin up et le spin down.

Donc le maximum d'excès du nombre de neutrons sur le nombre de protons est 2. Inversement le maximum d'excès du nombre de protons sur le nombre de neutrons est 2.

En fait on montre mathématiquement (et vérifié expérimentalement) que neutron et proton sont 2 états d'une même particule qui est le nucléon.

L'espace de Hilbert su système neutron-proton possède exactement les propriétés du spin et c'est pourquoi on l'appelle isospin.

En résumé en physique nucléaire il y a donc 2 sortes de spin qui physiquement parlant n'ont aucun rapport et c'est pourquoi on ne peut mettre au maximum 4 particules de nombre quantique différents dans un état"s"

[invite7ce6aa19]

Et l'étoile à neutron ? C’est pas un GROS, un énorme, un gigantesque, un monstrueux "noyau de neutrons" ?

Bonjour,

Absolument.

La différence entre les noyaux atomiques et les étoiles à neutrons est l'intervention de l'interaction gravitationnelle qui stabilise le système de neutrons relativement à un mélange moitié moitié protons/neutrons.

En effet le protons contribuent à une énergie positive (donc défavorable pour l'énergie totale) dans un etoile à neutrons.

Dans un noyau l'énergie positive des protons (défavorable) est contre balancée favorablement en minimisant l'isospin total

[invite1acecc80]

Bonjour,

Bonjour,

C'est tout bête, il y a l'interaction forte entre les nucleons, alors pourquoi il n'y a pas de " noyaux de neutrons"?

Existe-t-il une forme d'interaction destabilisante pour ce genre d'édifice?
si oui, elle est assez discrète....

Si quelqu'un a une explication???

Par avance merci pour mes élèves et moi

Reghen

Les électrons dans l'atome.

Dans l'état fondamental d' un atome à N électrons on ne peut pas assembler des électrons ayant le même spin. Cela est due au Principe de Pauli qui favorise les assemblages de faibles spin total (pour minimiser l'énergie totale).

Humm, je peux réaliser un condensat de type BSC si j'ai une interaction un tant soit peu attractive.
Le problème avec ce type de condensat, c'est que les paires de Cooper seules sont "instables". Il faut donc un très grand nombre de neutron pour réaliser un condensat type BCS comme dans une étoile à neutron...

A plus.

[invite7ce6aa19]

Bonjour,




Humm, je peux réaliser un condensat de type BSC si j'ai une interaction un tant soit peu attractive.
Le problème avec ce type de condensat, c'est que les paires de Cooper seules sont "instables". Il faut donc un très grand nombre de neutron pour réaliser un condensat type BCS comme dans une étoile à neutron...

A plus.

bonjour,

En cherchant à répondre à la question posée je n'ai parler que de certaines propriétés collectives des fermions (dans une approximation à 1 particule, cad grosso-modo en champ moyen).

Pour le monde des bosons (ou des bosons effectifs), c'est un autre monde.

A+

[invite51723682]

En résumé la représentation neutron/proton est trop artificielle est l'on ne peut raisonner en terme de particules attirées entre elle par une interaction attractive sans faire intervenir les deux types de nucleons ensemble avec leur spin et avec Pauli.

mais du coup à la question simple de l'élève de TS "pourquoi pas un noyau de neutrons", que lui reponderiez-vous?

[invite7ce6aa19]

En résumé la représentation neutron/proton est trop artificielle est l'on ne peut raisonner en terme de particules attirées entre elle par une interaction attractive sans faire intervenir les deux types de nucleons ensemble avec leur spin et avec Pauli.

Exactement: En plus de l'interaction forte il faut tenir compte du spin et de l'isospin et à partir de là respecter le principe de Pauli.

]
mais du coup à la question simple de l'élève de TS "pourquoi pas un noyau de neutrons", que lui reponderiez-vous?

Si l'on envoie en collision 2 neutrons l'un deux se transforme en proton (retournement d'isospin) pour former un noyau de Deutérium lequel va capturer un électron pour former un atome neutre.

En fait dans le soleil c'est exactement ce qui se passe sauf que la formation du deutérium se fait à partir de 2 protons (donc un proton se transforme en neutron).

[invite51723682]

Merci Mariposa.

Et pour les étoiles à neutrons, est-on à la densité des noyaux auquel cas où sont les protons ou bien sommes-nous au-dessus auquel cas on laisse tomber l'interaction forte et seule la gravit joue?

(PS à vue de wiki la densité nucléaire est la même que la densite d'une telle étoile) ???

[invite7ce6aa19]

Merci Mariposa.

Et pour les étoiles à neutrons, est-on à la densité des noyaux auquel cas où sont les protons ou bien sommes-nous au-dessus auquel cas on laisse tomber l'interaction forte et seule la gravit joue?

(PS à vue de wiki la densité nucléaire est la même que la densite d'une telle étoile) ???

Je ne suis pas un spécialiste des étoiles à neutrons ni même de l'astrophysique. Voici ce que je propose comme réponse.

Supposons que l'étoile soit composée de nucléons (je ne précise pas lesquels).

Cette étoile prend la forme d'une sphère dont l'équilibre est due aux forces gravitationnelles et aux forces fortes. L'une et l'autre sont reconnues comme indépendantes de l'espèce de nucléon.

il facile de constater que le fait d'avoir des protons rajoute à l'étoile une énergie électrostatique positive donc défavorable (rappel: un système se met dans l'état de plus basse énergie-à température nulle).

[invite5e5dd00d]

Des résonnances faibles de noyaux, des états liés, consititués uniquement de neutrons ne sont pas encore exclues expérimentalement.
Pour l'instant, aucun expérience n'a permis de les mettre en évidence. Mais ces assemblages de neutrons ont une importance, je crois, non négligeable dans l'explication de la synthèse primordiale des premiers atomes (légers...).

[invite51723682]

Merci pour vos réponses.

A bientôt

[invite1acecc80]

Re,

Des résonnances faibles de noyaux, des états liés, consititués uniquement de neutrons ne sont pas encore exclues expérimentalement.
Pour l'instant, aucun expérience n'a permis de les mettre en évidence. Mais ces assemblages de neutrons ont une importance, je crois, non négligeable dans l'explication de la synthèse primordiale des premiers atomes (légers...).

Il y a surement quelquechose que je ne saisi pas.
Les neutrons sont des fermions. La force forte est attractive. On pourrait donc former des "paires de Cooper" de neutrons (état lié), non?

A plus.

[invitea29d1598]

bonjour,

La différence entre les noyaux atomiques et les étoiles à neutrons est l'intervention de l'interaction gravitationnelle

pas uniquement : un noyau possède une charge électrique mais pas une étoile à neutrons.

qui stabilise le système de neutrons relativement à un mélange moitié moitié protons/neutrons.

non... dans une étoile à neutrons on a plutôt un proton pour 9 neutrons (la proportion précise dépend du modèle utilisé pour l'interaction forte)

Dans un noyau l'énergie positive des protons (défavorable) est contre balancée favorablement en minimisant l'isospin total

non. Les deux contribuent, cf. la formule de Bethe-Weizsäcker. Comme on le voit par cette formule et comme on le constate sur la carte des noyaux, les noyaux légers sont à peu près à 50/50, mais les noyaux lourds sont plus riches en neutrons pour "diluer" la charge totale. Car pour rappel l'interaction coulombienne est à portée infinie alors que l'interaction forte est à courte portée.

Ils se sont transformés en neutrons en émettant un rayonnement de particules chargées qui abaissent l'énergie totale en se débarrassant de l'énergie électrostatique.

pas tous, il y a équilibre beta entre neutrons/protons +électrons (à haute densité car à basse densité on trouve même des noyaux baignés par un liquide de Fermi de neutrons)

D'ailleurs, a priori et en toute logique, il y a à la surface d'une étoile à neutrons autant de protons que de neutrons pusique l'interaction gravitationnelle est faible.

l'interaction gravitationnelle est faible à la surface d'une étoile à neutrons ????????

une vitesse de libération de l'ordre d'un tiers de celle de la lumière ça te paraît peu ? et quid si je te dis que toute montagne plus grande que quelques dizaines de centimètres s'effondre sous son poids ? toujours faible ce champ de gravitation ?

à la surface, on peut avoir plein de choses différentes selon les conditions externes... une mer d'hydrogène liquide par exemple... mais certainement pas un mélange 50/50 de neutrons et protons...

A l'opposé au centre d'une étoile à neutron il y a des particules étranges crées résultant de l'intensité élevée des interactions gravitationnelles.

ce qu'il y a au centre dépend complètement de la masse totale... pour les plus légères on peut parfaitement n'avoir qu'un plasma de neutrons, protons et électrons

Humm, je peux réaliser un condensat de type BSC si j'ai une interaction un tant soit peu attractive. Le problème avec ce type de condensat, c'est que les paires de Cooper seules sont "instables". Il faut donc un très grand nombre de neutron pour réaliser un condensat type BCS comme dans une étoile à neutron...

dans un noyau atomique le pairing est important... cf un terme dans la formule de Bethe-Weizsäcker que j'ai citée plus haut

Et pour les étoiles à neutrons, est-on à la densité des noyaux auquel cas où sont les protons ou bien sommes-nous au-dessus auquel cas on laisse tomber l'interaction forte et seule la gravit joue?

on laisse absolument pas tomber l'interaction forte... au centre on aura des densités de l'ordre de 10^14 à 10^15 g/cm3, soit au moins ce que l'on a dans les noyaux mais il n'y aucune raison pour laquelle l'interaction forte pourrait ne pas jouer.

(PS à vue de wiki la densité nucléaire est la même que la densite d'une telle étoile) ???

effectivement, même ordre de grandeur... c'est ce qui se passe quand tu mets la masse du soleil (voire plus si affinités) dans une boule de 10km de rayons

Il y a surement quelquechose que je ne saisi pas.
Les neutrons sont des fermions. La force forte est attractive.

en fait c'est plus subtil que ça... l'interaction forte est une interaction effective (la vraie c'est celle associée aux quarks), donc c'est un peu comme avec Coulomb/van der Waals : tu as plusieurs régimes selon la distance. Ainsi, à basse densité elle sera attractive, mais à plus haute densité elle deviendra répulsive puis à nouveau en partie attractive (en termes techniques tu as un potentiel qui dépend à la fois de l'impulsion, du spin, de l'isospin, etc. et pas juste un potentiel scalaire donc c'est un peu modèle dépendant... mais si tu veux regarder de plus près tu devrais t'en sortir car pas mal de modèles reposent sur du Hartree-Fock).

On pourrait donc former des "paires de Cooper" de neutrons (état lié), non?

à basse densité on a des paires de Cooper de neutrons, puis quand la densité augmente elles deviennent instables mais des paires de protons sont stables, puis à encore plus haute densité celles-ci sont instables mais les neutrons peuvent se coupler en 3P2 (à basse densité c'est que du 1S). Si tout cela t'intéresse j'en ai déjà parlé plusieurs fois sur le forum...

[invite4b0d1657]

pas uniquement : un noyau possède une charge électrique mais pas une étoile à neutrons.

Et pourtant une étoile à neutron peut devenir un pulsar !

[invite7ce6aa19]

bonjour,


non... dans une étoile à neutrons on a plutôt un proton pour 9 neutrons (la proportion précise dépend du modèle utilisé pour l'interaction forte)

Bonjour,

Petite remarque annexe: Je répondais à la question initiale:

"Pourquoi les noyaux de neutrons ne semblent pas exister?"


Pour faire comprendre le fond de la question, ce qui me parait essentiel, et difficile à comprendre, car non intuitif, est le concept d'isospin. Celui permet de comprendre pourquoi les noyaux nucléaires ont tendance à être 50/50 cad d' isospin nul et les étoiles à nucléons ont tendance à être fortement neutronique cad d'isospin maximun.

L'intérêt de ce modèle simplifié centré autour du concept d'isospin est d'avoir son équivalent dans le monde des interactions coulombiennes électroniques ou le spin joue le rôle de l'isospin.

L'analogue des noyaux nucléaires sont les atomes dont la tendance est de se mettre dans un état de spin nul. Ce qui n'empêche pas d'avoir des atomes exhibant un spin total non nul (empiriquement décrit par la règle de Hundt).


L'analogue de l'étoile à neutron c'est le corps ferromagnétique qui a tendance à se mettre dans un état de spin maximal. Mais un ferromagnétique possède des spins retournés qui sont représentés par la quantification des ondes de spins, les magnons (le caractère onde étant lié bien entendu à l'invariance par translation du système).

A mon avis c'est bien le concept de spin ou d'isospin selon cas qui permettent de saisir l'essentiel sans prétendre à un quelconque modèle sophistiqué.


Question sur étoile à neutrons:

Tu dis que la proportion protons/neutrons dépend du modèle de l'interaction forte. Hors à l'ordre zéro l'interaction forte est invariante d'isospin. Donc a cet ordre zéro transformer des neutrons en protons est gagnant seulement si la quantité d'énergie positive electrostatique des protons est sur contrebalancée par le gain en énergie de masse.

Est-ce le cas?

Normalement non puisque le raisonnement ci-dessus à l'ordre zéro est invariant d'isospin.


A un ordre supérieur la polarisation électrostatique augmente la distance moyenne inter-nucléons et donc diminue l'énergie d'interaction forte et retour diminue au second ordre l'énergie électrostatique.

dans ce cas il est évidemment que le nombre de protons est sensible au modèle de l'interaction forte. Cela me parait crédible si prend ton ordre de grandeur de 1 proton sur 10

Est-ce le cas?

Question annexe: Avec 1 proton sur 10 ramené a l'équivalent en physique du solide cela laisse à penser que les protons sont fortement corrélés et qu'ils pourraient même cristalliser!!!!

est-ce le cas?

[invite51723682]

Merci bien, ça décoiffe un peu pour le petit profaillon que je suis mais je prends.
Je retiens surtout cette relation de Bethe-Weizacker et la dimension effective de l'interaction forte.
Après cela devient trop exotique pour moi (pour l'instant, on ne sait jamais!!)

merci encore

a+

Reghen