La physique nucléaire occupe une place à part dans l'étude des différents niveaux d'organisation de la matière. Ses potentialités d'application dans les domaines militaire et énergétique (cf. nucléaire) ont favorisé son développement, qui fut extrêmement rapide, ce qui a permis aux physiciens de disposer de moyens expérimentaux considérables dès la fin des années 1930. De la compréhension de la structure des noyaux atomiques et des interactions responsables de la stabilité ou de l'instabilité des divers isotopes jusqu'à l'astrophysique et aux applications médicales ou énergétiques, elle couvre aujourd'hui un domaine de recherche aussi vaste que varié.
La découverte du noyau atomique, entre 1909 et 1911, par Ernest Rutherford, Hans Wilhelm Geiger et Ernest Marsden, dans le laboratoire de l'université de Manchester, marque la naissance officielle de la physique nucléaire. En 1932, James Chadwick montra que le rayonnement ultrapénétrant, découvert quelques années plus tôt par Walther Bothe et étudié par Irène Curie et Frédéric Joliot est constitué d'une nouvelle particule : le neutron ; protons et neutrons apparaissaient ainsi comme les « briques » essentielles de la matière. Les travaux suivants de Chadwick l'amenèrent à envisager la présence, dans les noyaux, d'une interaction très intense capable de lier protons et neutrons : l'interaction nucléaire forte. La physique nucléaire allait alors se développer très rapidement.
Aujourd'hui, les accélérateurs d'ions lourds, tels que le G.A.N.I.L. (grand accélérateur national d'ions lourds) à Caen, sont des outils privilégiés pour étudier la structure des noyaux atomiques et pour en synthétiser de nouveaux.
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