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NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Les principes physiques

On connaît actuellement des centaines de noyaux atomiques. Chacun est représenté par son nombre atomique Z, c'est-à-dire le nombre de protons qu'il contient, et par son nombre de masse A, qui correspond au nombre total de ses nucléons (protons ou neutrons). Des éléments contenant le même nombre de protons mais possédant des nombres de masse différents sont dits isotopes. Ainsi, les noyaux d'hydrogène (Z = 1,= 1), de deutérium (appelé aussi deuton, = 1, A = 2) et de tritium (ou triton, = 1, = 3) sont-ils trois isotopes du même élément, et l'uranium se présente principalement sous deux isotopes de nombres de masse 235 et 238. Les isotopes ont des propriétés chimiques très voisines, car celles-ci dépendent d'une distribution électronique quasi identique, mais leurs propriétés physiques sont extrêmement différentes et leurs applications, très nombreuses, couvrent divers domaines.

Les propriétés du noyau atomique

James Chadwick

James Chadwick

On représente souvent les noyaux dans un diagramme (N, Z) où l'on porte sur les axes de coordonnées le nombre N de neutrons et le nombre Z de protons ; les quelque 300 noyaux stables s'y rassemblent dans une « vallée de stabilité » entourée d'une large bande qui contient les noyaux instables.

Selon la relation d'Einstein, l'énergie de liaison (EL) d'un noyau est la différence entre sa masse M et la somme des masses des protons (MP) et des neutrons (MN) constituants ; pour un noyau contenant Z protons et N neutrons, elle est égale à : EL = (Z MPN MNM) c2, où c est la vitesse de la lumière.

L'énergie de liaison équivaut typiquement à 1 p. 100 de la masse totale, ce qui est considérable. Ainsi l'énergie de liaison nucléaire des noyaux contenus dans quelques grammes d'hélium se mesure en milliards de joules, soit des millions de fois plus que l'énergie libérée par une réaction chimique.

Les volumes des noyaux sont approximativement proportionnels à leur nombre de masse (A), leur rayon étant approximativement donné par la formule : R = 1,2A1/3 × 10 –15 m.

Encore faut-il garder à l'esprit que le caractère quantique de la physique des noyaux ne permet de parler que de rayon moyen défini à partir d'une fonction d'onde exprimant une probabilité de présence ; la densité nucléaire décroît brutalement sur une épaisseur de quelques dixièmes de femtomètre (10—15 m).

Les noyaux possèdent un moment angulaire intrinsèque quantifié selon les règles de la mécanique quantique en multiples de la quantité élémentaire h/4π, où h est la constante de Planck. Lorsqu'il n'est pas nul – et c'est le cas le plus fréquent –, ce moment angulaire implique l'existence d'un moment magnétique nucléaire, d'intensité très inférieure à celui des électrons mais d'intérêt fondamental pour les phénomènes de résonance aux applications diverses.

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Écrit par

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

James Chadwick

James Chadwick

Niels Bohr et Ivan P. Pavlov

Niels Bohr et Ivan P. Pavlov

Autres références

  • ALPHA RAYONNEMENT

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 184 mots

    Rayonnement le moins pénétrant émis par les substances radioactives, sous la forme de noyaux d'hélium 4. Il avait été reconnu dès 1903 par Ernest Rutherford comme formé de particules chargées positivement et de masse proche de celle de l'atome d'hélium. La théorie de la désintégration...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
    • 6 931 mots
    • 4 médias
    Les antiprotons lents ouvrent des perspectives inédites en physique nucléaire. En frôlant les noyaux, les antiprotons peuvent exciter des niveaux d'énergie qui ne sont pas facilement accessibles avec des électrons ou des protons. L'annihilation d'un antiproton sur un noyau correspond à un dépôt très...
  • ASTRONOMIE

    • Écrit par James LEQUEUX
    • 11 339 mots
    • 20 médias
    Les relations entre l'astronomie et la physique nucléaire sont tout à fait comparables. La découverte de l'origine de l'énergie libérée par le Soleil a suivi de peu celle de la transmutation nucléaire, c’est-à-dire la possibilité pour un élément chimique de se transformer en un autre par modification...
  • BÊTA RAYONNEMENT

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 173 mots

    Forme de radioactivité dans laquelle un noyau émet un électron et un antineutrino (rayon bêta moins) ou un positron et un neutrino (rayon bêta plus). Ce processus donne naissance à un autre noyau ayant un neutron de moins et un proton de plus que le noyau initial. Les travaux de Wolfgang...

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