Une énigme de la radioactivité : le neutrino





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Energie nucléaire

Une énigme de la radioactivité : le neutrino




  • La situation déclenchante

Dans son livre «  Il était sept fois la révolution, Albert Einstein et les autres » : Etienne KLEIN, Physicien au Commissariat à l'Energie Atomique (CEA), professeur à l'école centrale et docteur en philosophie des sciences, consacre le cinquième chapitre à Wolfang Pauli :

Wolfgang Pauli (1900-1958), prix Nobel de physique 1945.
« Wolfgang Pauli aimait les sucreries et les pâtisseries. Notoirement, à la folie même.[...]


Wolfgang Pauli (1900-1958), prix Nobel de physique 1945.© AIP Emilio Segre Visual Archive
Amoureux des situations compliquées, friands d'énigmes tenaces qui désespèrent ses collègues, il en vient à se passionner pour l'épineux problème que constitue l'un des trois types de radioactivité, celle dite « bêta » : lorsqu'un noyau contient trop de neutrons pour être stable, il se transforme en un autre noyau en émettant un électron. Au cours de l'année 1930, cette transformation nucléaire semble encore très mystérieuse : les mesures indiquent que l'énergie de l'électron n'est pas chaque fois la même ; elle peut prendre une valeur quelconque, tantôt grande, tantôt petite, alors qu'on s'attendait à une valeur précise, toujours la même, qui corresponde justement à la différence d'énergie entre le noyau initial et le noyau final. Ces résultats semblent donc violer la loi de conservation de l'énergie, qui dans une telle situation, indique que l'énergie de l'électron doit être parfaitement déterminée. »
Les questions auxquelles vous allez devoir répondre sont les suivantes :

- Quelles hypothèses initiales peut-on poser relativement au phénomène de la désintégration « bêta - » ?

- Quel est ce « problème épineux »?

- Quelle est la solution élaborée par la communauté scientifique ?


  • Les supports de travail

A/ L'histoire commence en 1914

En 1914, James Chadwick, suite à l'analyse d'un très grand nombre de désintégrations bêta moins, parvient à tracer la courbe du nombre de particules émises en fonction de l'énergie cinétique de ces particules. Cette courbe est un spectre d'émission.
Les connaissances de l'époque sur la structure de la matière sont que l'atome est constitué de protons et d'électrons.


James Chadwick (1891-1974), prix Nobel de physique 1935.

Nombre d'électrons émis




Ec (MeV)

Questions  :

  1. Le noyau de phosphore est un émetteur bêta moins. Déterminer, à partir des données qui suivent, l'énergie libérée lors de la désintégration bêta d'un noyau de phosphore 32 au repos en supposant que le noyau fils formé est au repos. Sous quelle forme cette énergie est-elle libérée ?


Données :

- masses de quelques noyaux et particules :  ;  ; et

- célérité de la lumière dans le vide : ;

- électron-volt :



  1. L'énergie cinétique des électrons émis au cours de l'ensemble des désintégrations du phosphore 32 a été mesurée. Les résultats donnés dans le diagramme ci-dessus sont-ils compatibles avec le résultat obtenu ? Quelles hypothèses peut-on formuler?

B / De nouvelles idées pour sauver la conservation de l'énergie

La contradiction entre la loi de conservation de l'énergie et le spectre continu de la désintégration bêta resta incomprise et mystérieuse pendant plus de 20 ans.

Wolfgang Pauli (1900-1958), prix Nobel de physique 1945.
Étienne Klein poursuit ainsi dans son livre :


James Chadwick (1891-1974), prix Nobel de physique 1935.© AIP Emilio Segre Visual Archives
« Pour sauver cette loi essentielle de la physique (que Niels Bohr était prêt à réduire à une loi valable seulement de façon statique dans le monde microscopique, c'est à dire non vraie pour chaque événement particulier mais seulement en moyenne), Wolfang Pauli, taraudé par ce nombre 3, fait une hypothèse audacieuse : contrairement aux apparences, le noyau ne se désintègre pas en deux corps mais en trois. Une troisième particule, pense-t-il, est émise simultanément, qui emporte l'énergie manquante.

Enrico Fermi (1901-1954) prix Nobel de physique 1938
Pauli fait connaître son idée d'une façon assez originale. Il sait qu'un colloque va réunir les physiciens allemands à Tübingen, le 6 décembre 1930, en présence de Lise Meitner, une spécialiste de la radioactivité bêta mais il hésite à s'y rendre car, son divorce vient tout juste d'être prononcé et pour l'heure, il éprouve le besoin de noyer son mal-être, s'étourdir, fréquenter les fêtes et les bals. Il choisit d'envoyer l'un de ses amis à la conférence avec pour mission d'y lire une communication, dont un extrait est donné ci-après.
Le ton désinvolte de la lettre (écrite en état d'ébriété?) , ajouté à la description plutôt confuse de cette nouvelle particule neutre, explique peut-être pourquoi la thèse de Pauli n'est guère prise au sérieux par les participants.

[...]Une fois son épaule remise, Pauli peut se rendre à Rome où se tient en octobre 1932 un colloque sur la physique nucléaire organisé par Enrico Fermi. Sur place une réception officielle le contraint à serrer la main à Mussolini. Il en conçoit une honte tenace. Mais il a le loisir d'exposer longuement son idée à Fermi, en privé, lequel saisit aussitôt toute la portée de l'hypothèse. »
Voici un extrait de la lettre de Pauli :

Zürich, 4 December 1930

Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,
As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of [...] the continuous bêta-spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save [...] the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons[...] The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous bêta-spectrum would then become understandable by the assumption that in bêta-decay, a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and electron is constant. [...]

Unfortunately I cannot appear in Tübingen personnally, since I am indispensable here in Zürich because of a ball on the night of 6-7 December.

With my best regards to you, and also to Mr Back,

Your humble servant

W. Pauli


Questions :

  1. Que propose Pauli pour expliquer les propriétés de la désintégration bêta ?


  1. Comment Pauli baptise-t-il sa nouvelle particule ?



  1. En 1932, James Chadwick découvre une particule neutre dans le noyau atomique dont la masse est légèrement supérieure à celle du proton (m(neutron) = 1,00866 u). Pourquoi la particule découverte par James Chadwick ne peut pas être celle que propose Pauli pour expliquer les propriétés de la désintégration bêta ?


C / Conclusion ? Où l'histoire continue-t-elle ?


Fred Reines and Clyde Cowan (1953)
C'est E. Fermi qui attribuera le nom de « neutrino » (petit neutre, par opposition au « neutron », le gros neutre) à la particule introduite par Pauli. Une mise au point générale s'opère au congrès Solvay de Bruxelles en 1933, où on fait la distinction entre neutron (du noyau) et neutrino (de la désintégration bêta). Les réticences de Pauli s'effacent et il signe l'acte de naissance du neutrino dans une communication officielle à ce même congrès.

La mise en évidence expérimentale des neutrinos s'est avérée particulièrement difficile. En effet, la théorie de Fermi permet de calculer la probabilité d’interaction entre les neutrinos et la matière. Cette particule interagit si peu qu’elle peut traverser la Terre entière sans subir le moindre choc.

Jusqu'à la fin des années 40 aucune détection des neutrinos n'est possible faute de source abondante et de détecteur suffisamment sensible.

Il faudra attendre 1956 pour que Reines et Cowan mettent en évidence les (anti) neutrinos produits par le réacteur de Savannah River (USA).
Questions :

  1. Quelle durée s'est écoulée entre la formulation de l'hypothèse des neutrinos et leur mise en évidence expérimentale ?


  1. Pour quelles raisons a-t-il fallu attendre si longtemps pour mettre en évidence expérimentalement les neutrinos ?



  1. Reprendre l’équation de la réaction de désintégration de la question a et faire apparaitre un (anti)neutrino noté . Préciser son nombre de masse et son nombre de charge.



  1. Rechercher pourquoi ces neutrinos sont des particules encore mystérieuses aujourd'hui ?

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