NUCLÉAIRE (PHYSIQUE)Les principes physiques
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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, A = 1), de deutérium (appelé aussi deuton, Z = 1, A = 2) et de tritium (ou triton, Z = 1, A = 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
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.
James Chadwick
Photographie
Le physicien britannique James Chadwick (le plus à gauche), Prix Nobel de physique en1935, en discussion, en 1945, avec des collègues britanniques et américains à propos du développement de la bombe atomique.
Crédits : Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images
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 MP + N MN — M) 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 [...]
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Écrit par :
- Bernard PIRE : directeur de recherche au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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BÊTA RAYONNEMENT
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BETHE HANS (1906-2005)
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BOTHE WALTHER WILHELM (1891-1957)
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DE LA RADIOACTIVITÉ À LA FISSION DE L'ATOME - (repères chronologiques)
1896 Après la découverte des rayons X par le physicien allemand Wilhelm C. Röntgen en 1895, de nombreux savants recherchent des sources naturelles de rayons X. Le physicien français Henri Becquerel découvre fortuitement que des sels d'uranium émettent des rayons nouveaux, qu'il appelle « uraniques ». 1897 Joseph J. Thomson et divers savants b […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/de-la-radioactivite-a-la-fission-de-l-atome-reperes-chronologiques/#i_12533
DINEUTRON
Un nouveau mode de désintégration nucléaire vient d'être observé par une équipe de physiciens américains, dirigée par Artemis Spyrou, du cyclotron supraconducteur de l'université du Michigan à East Lansing. Ils ont en effet observé l' émission d'une paire de neutrons par l'isotope 16 du béryllium, un isotope très riche en neutrons puisque son noyau ne contient que quatre protons mais douze neutro […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/dineutron/#i_12533
FERMI ENRICO (1901-1954)
Dans le chapitre « Recherches sur le noyau de l'atome » : […] Fermi s'intéressa ensuite au problème de la constitution du noyau atomique, et particulièrement à sa désintégration β — (émission d'électrons par des noyaux radioactifs). Pour fournir une explication de ce phénomène qui rende compte de la loi de conservation de l'énergie, Wolfgang Pauli avait imaginé que des particules hypothétiques étaient émises en même temps que les él […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/enrico-fermi/#i_12533
GAMMA RAYONNEMENT
Rayonnement électromagnétique de grande énergie dû à une désexcitation d'un noyau atomique. Il est d'abord observé en 1900 par le chimiste français Paul Ulrich Villard (1860-1934) comme l'émission par un échantillon de radium de rayons au pouvoir pénétrant très supérieur à celui des rayons β. Henri Becquerel confirme très rapidement cette découverte dans son laboratoire du Jardin des Plantes. Vil […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-gamma/#i_12533
GAMOW GEORGE (1904-1968)
Né à Odessa (Ukraine), Gamow vient en 1928 à Göttingen, où il utilise la mécanique quantique pour faire une théorie de la radioactivité α. C'est à Copenhague, l'année suivante, qu'il propose le modèle nucléaire en goutte liquide, encore utilisé pour expliquer la fission et la fusion nucléaires. Professeur à Washington en 1934, Gamow collabore avec Edward Teller pour formuler la théorie de l'émissi […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/george-gamow/#i_12533
GOEPPERT-MAYER MARIA (1906-1972)
Née le 28 juin 1906 à Katowice en haute Silésie (alors en Allemagne) et décédée le 20 février 1972 à San Diego (Californie), Maria Goeppert est issue d'une lignée d'universitaires depuis sept générations. Après des études à Göttingen, où elle passe son doctorat de physique théorique en 1930 sous la direction de Max Born, elle épouse le physico-chimiste américain Joseph E. Mayer, qui est alors l'as […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/maria-goeppert-mayer/#i_12533
HAHN OTTO (1879-1968)
Chimiste allemand, lauréat du prix Nobel (1944) pour ses travaux sur la fission de l'uranium . Né à Francfort, il fait ses études universitaires à Marburg, puis à Munich, où il obtient son doctorat en 1901. Il deviendra le plus grand radiochimiste de l'Allemagne. Tôt attiré par la chimie des radioéléments, il se rend à Londres au laboratoire de William Ramsay (1904-1905), puis chez Rutherford, qui […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/otto-hahn/#i_12533
HEISENBERG WERNER KARL (1901-1976)
Dans le chapitre « Problèmes atomiques et nucléaires » : […] Dès que la mécanique quantique fut consolidée, et surtout dès qu'elle eut absorbé l'aspect « ondulatoire » mis en évidence par Louis de Broglie et développé par Erwin Schrödinger, il était naturel qu'elle s'attaquât aux problèmes qui dépassaient la portée des méthodes antérieures. Parmi ceux-ci s'offrait tout d'abord celui de l'atome d'hélium, atome composé de deux électrons liés au noyau. Les ét […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/werner-karl-heisenberg/#i_12533
JENSEN JOHANNES HANS DANIEL (1907-1973)
Fils d'un jardinier, Johannes Hans Daniel Jensen naît le 25 juin 1907 à Hambourg et meurt le 11 février 1973 à Heidelberg (Allemagne). Après des études à Hambourg et à Fribourg-en-Brisgau, il passe sa thèse en 1932, puis devient assistant à l'institut de physique théorique de l'université de Hambourg. Professeur à l'université de Hanovre à partir de 1941, il y poursuit des recherches sur la struct […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/johannes-hans-daniel-jensen/#i_12533
LAWRENCE ERNEST ORLANDO (1901-1958)
Physicien américain né le 8 août 1901 à Canton (Dakota du Sud) et mort à Palo Alto (Californie) le 27 août 1958. Après des études effectuées dans les universités du Dakota du Sud, du Minnesota et de Chicago, Ernest O. Lawrence soutient, en 1925, sa thèse de doctorat à Yale, où il devient professeur en 1927. Il sera également professeur à l'université de Californie en 1930. Lawrence effectua de nom […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/ernest-orlando-lawrence/#i_12533
MATÉRIALISATION, physique
On appelle matérialisation toute transformation d'énergie en matière ; le seul processus connu de matérialisation est celui du photon d'énergie h ν qui se convertit, au voisinage d'un noyau, en une paire électron-positron. Le phénomène ne peut avoir lieu dans le vide, où serait impossible la conservation du quadrivecteur énergie-impulsion du photon initial ; de plus, il est n […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/materialisation-physique/#i_12533
MEITNER LISE (1878-1968)
Physicienne et chimiste nucléaire autrichienne. Après des études à Vienne où elle était née, Lise Meitner se rend, en 1907, à Berlin pour y recevoir l'enseignement de Max Planck, qui, en introduisant, en 1900, le « quantum d'action », avait jeté les bases de l'ancienne théorie des quanta. Elle travaille ensuite avec Otto Hahn au Kaiser Wilhelm Institut ; ils découvrent ensemble l'existence de grou […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/lise-meitner/#i_12533
MÖSSBAUER EFFET
Le phénomène d'émission et d'absorption de photons gamma par des noyaux atomiques sans perte d'énergie due au recul de ces noyaux ni perte de résolution due à leur agitation thermique fut découvert et expliqué par le physicien allemand Rudolf L. Mössbauer en 1957-1958, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1961. Ce phénomène de fluorescence résonnante sans recul des noyaux, universelleme […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/effet-mossbauer/#i_12533
MÖSSBAUER RUDOLF (1929- )
Né le 31 janvier 1929 à Munich (Allemagne), Rudolf Ludwing Mössbauer fit ses études à l'Université technique de Munich puis à l'Institut Max-Planck de recherches médicales à Heidelberg. Il étudia à partir de 1953 l'absorption des rayons γ par la matière et soutint sa thèse sur les phénomènes d'absorption résonante par les noyaux atomiques en janvier 1958. Nommé professeur à l'Institut de technolo […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/rudolf-mossbauer/#i_12533
MOTTELSON BEN ROY (1926- )
Né en 1926 à Chicago, Ben Roy Mottelson fait ses études supérieures à Harvard et y soutient sa thèse de doctorat en physique nucléaire théorique en 1950, sous la direction de Julian Schwinger (Prix Nobel de physique en 1965). Il rejoint alors l'institut de physique théorique de Copenhague (qui allait devenir l'institut Niels-Bohr) où il fait toute sa carrière. Lorsque l'institut Nordita (Nordic In […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/ben-roy-mottelson/#i_12533
NEUTRON
Le neutron est, avec le proton, une particule constitutive du noyau atomique. Un noyau (Z, A), de numéro atomique Z et de nombre de masse A, est un assemblage constitué de briques élémentaires de deux types différents : Z protons et A—Z neutrons. Ces deux particules jouent donc un rôle fondamental dans tous les processus qui mettent en jeu les noyaux. Le neutron est une particule dont les dimensi […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/neutron/#i_12533
NOYAUX À HALO, physique nucléaire
Forme particulière de certains isotopes très riches en neutrons de noyaux atomiques légers. Le premier exemple découvert est le lithium 11, qui contient un cœur formé de trois protons et de six neutrons entouré d'un halo de deux neutrons ; l'extension spatiale de ce halo est entre cinq et dix fois supérieure à la taille du cœur, ce qui s'explique par la faible énergie de liaison de cette paire de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/noyaux-a-halo-physique-nucleaire/#i_12533
NOYAUX DÉFORMÉS, physique nucléaire
On sait que la plupart des noyaux atomiques ont une forme sphérique ou ellipsoïdale, mais des formes plus étonnantes ne sont pas exclues par la nature des interactions qui lient les protons et les neutrons. La récente mise en évidence de noyaux en forme de poire démontre la complexité des phénomènes physiques responsables de la structure nucléaire. L'expérience réalisée au Cern de Genève par l'é […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/noyaux-deformes-physique-nucleaire/#i_12533
NOYAUX EXOTIQUES, physique nucléaire
Noyau très éloigné des conditions de stabilité par la proportion en protons et en neutrons. Ces noyaux, très déficitaires en neutrons ou en protons, sont très éphémères, leurs demi-vies allant de la milliseconde à la seconde. On en connaît plusieurs milliers qu'on produit par bombardement de noyaux par des neutrons, des protons ou d'autres noyaux, éventuellement suivis de réactions de fission ou […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/noyaux-exotiques-physique-nucleaire/#i_12533
NOYAUX MAGIQUES, physique nucléaire
On dit qu'un noyau est magique lorsque le nombre de ses protons ou de ses neutrons correspond à des couches complètes. Ces nombres magiques sont 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126. La situation est l'analogue au niveau nucléaire du cas des gaz rares dont les couches électroniques atomiques sont complètes. Les noyaux magiques – hélium, oxygène, calcium, nickel, étain, plomb... – sont plus stables que leu […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/noyaux-magiques-physique-nucleaire/#i_12533
NUCLÉAIRE - Déchets
Dans le chapitre « Physique de la transmutation » : […] La transmutation d'un noyau atomique ne peut être accomplie qu'au cours d'une réaction nucléaire induite par une particule. Étant donné les quantités de produits à traiter, la transmutation ne peut s'envisager aujourd'hui qu'en utilisant les flux importants de neutrons existant dans les réacteurs à fission. Compte tenu du spectre en énergie des neutrons dans ces réacteurs, la fission et la captur […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire-dechets/#i_12533
NUCLÉAIRE (notions de base)
Depuis la découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel et celle du noyau atomique par Ernest Rutherford en 1911, des progrès scientifiques importants ont été accomplis en physique nucléaire. La maîtrise des réactions nucléaires a permis en particulier, dès le milieu du xx e siècle, la mise au point des réacteurs et des armements nuc […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire/#i_12533
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Accélérateurs de particules
Dans le chapitre « Les accélérateurs d’ions lourds et radioactifs » : […] L' utilisation d'ions lourds accélérés (cf. physique nucléaire - Faisceaux d’ions lourds) s'est révélée féconde pour explorer les structures et les états instables des noyaux atomiques ainsi que les multiples réactions nucléaires pouvant se produire dans les étoiles, les supernovae et aussi entre la matière et le rayonnement cosmiques. Poursuivre cette recherche sur les […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-accelerateurs-de-particules/#i_12533
PERRIN FRANCIS (1901-1992)
Né le 17 août 1901 à Paris, le fils de Jean Perrin (Prix Nobel de physique 1926) profita d'abord d'une éducation familiale, n'entrant qu'à l'âge de onze ans à l'École alsacienne avant de terminer ses études au lycée Henri-IV puis à l'École normale supérieure dès 1918. En 1924, Francis Perrin devient assistant de son père au laboratoire de chimie-physique de la Sorbonne où il étudie expérimentaleme […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/francis-perrin/#i_12533
PHYSIQUE - Les fondements et les méthodes
Dans le chapitre « XXe siècle » : […] Cette évolution aboutit cependant à une remise en question de toute la physique au début du xx e siècle. Déjà, la découverte de la radioactivité et l'étude qui en est faite par Pierre et Marie Curie ont révélé l'existence de nouvelles propriétés de la matière qui s'avèrent très difficiles à classer. Le véritable problème, […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-les-fondements-et-les-methodes/#i_12533
PREMIÈRE RÉACTION NUCLÉAIRE EN CHAÎNE
Le 2 décembre 1942, Enrico Fermi, physicien Italien (1901-1954) alors émigré aux États-Unis, réalise à l'université de Chicago la première réaction en chaîne, fondée sur la fission de noyaux atomiques. Celle-ci est obtenue en utilisant de l'uranium naturel (qui contient l'isotope 235, 235 U, constituant 0,720 p. 100 de l'uranium naturel) et les neutrons – émis lors de la f […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/premiere-reaction-nucleaire-en-chaine/#i_12533
PROTON
La matière est constituée d'atomes (dont la dimension est de l'ordre de 10 —10 mètre), eux-mêmes formés par un noyau (dont la dimension est de l'ordre de 10 —15 mètre, soit 1 femtomètre [fm]) autour duquel gravitent des électrons. Le proton est une particule de charge électrique positive, numériquement égale à celle de l'électron, mais de masse […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/proton/#i_12533
RADIOACTIVITÉ
La radioactivité désigne un vaste ensemble de phénomènes physiques, dont le dénominateur commun consiste en une modification du noyau atomique des éléments. Il existe dans la nature une centaine de type d'atomes. Ils ont été regroupés par Mendeleïev en 1869 sur un tableau montrant les analogies chimiques. Un atome (dimension environ 10 —10 m) est lui-même constitué d'un n […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/radioactivite/#i_12533
RADIOACTIVITÉ EXOTIQUE ou RADIOACTIVITÉ PAR IONS LOURDS
En 1984, soit cinquante ans après la découverte de la radioactivité artificielle par Irène et Frédéric Joliot-Curie et sensiblement un siècle après celle de la radioactivité naturelle (émission de particules α) par Henri Becquerel, les deux physiciens anglais H. J. Rose et G. A. Jones affirmaient avoir mis en évidence un nouveau type de radioactivité, dite exotique : l'émission de noyaux de carbon […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/radioactivite-exotique-radioactivite-par-ions-lourds/#i_12533
RAINWATER LEO JAMES (1917-1986)
Né le 9 décembre 1917 dans la petite ville de Council (Idaho) et mort le 31 mai 1986 à Yonkers (État de New York), Leo James Rainwater passe son enfance en Californie et fait ses études supérieures au California Institute of Technology de Pasadena. Il est diplômé en 1939, et rejoint l'université Columbia de New York où il va effectuer toute sa carrière. Il participe au projet Manhattan pendant la […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/leo-james-rainwater/#i_12533
RUTHERFORD ERNEST lord (1871-1937)
Physicien anglais, lauréat du prix Nobel de chimie en 1908, dont les recherches sur les rayonnements et la structure atomique ont ouvert la voie aux développements ultérieurs de la physique nucléaire du xx e siècle. Né à Nelson (Nouvelle-Zélande), il y effectue ses études secondaires ; boursier de l'université de Nouvelle-Zélande à Wellington, où […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/ernest-rutherford/#i_12533
SPECTROMÉTRIE DE MASSE
Dans le chapitre « Physique nucléaire » : […] Le séparateur électromagnétique d'isotopes est un spectromètre de masse à secteur magnétique capable de délivrer de forts courants. Il sert aussi au tri des fragments de réactions nucléaires pour la production de faisceaux d'ions radioactifs : technique I.S.O.L. (Isotope Separator On-Line). La mesure de la masse du noyau dans son état fondamental fournit une donnée de base pour comprendre sa stru […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/spectrometrie-de-masse/#i_12533
STRIPPING, physique
On appelle « stripping » une réaction nucléaire où une partie du noyau projectile est, au cours de l'interaction, cédée au noyau cible. L'autre partie du projectile poursuit une trajectoire relativement peu perturbée dont la détection sert à signer la réaction. Par exemple : d + P 31 → p + P 32 . Cett […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/stripping-physique/#i_12533
TEILLAC JEAN (1920-1994)
Une vie professionnelle pleinement dévouée à la science et au service de son pays, telle est bien celle de Jean Teillac. Héritier des grands pionniers de la science nucléaire française, formé par Irène et Frédéric Joliot-Curie, il s'est trouvé placé, quand il parvint aux postes de responsabilité, à la charnière entre les questions relevant de la science, de la politique et des problèmes de société […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/jean-teillac/#i_12533
TELLER EDWARD (1908-2003)
Physicien américain . Né le 15 janvier 1908 à Budapest (Hongrie), dans une famille de la bourgeoisie juive, Edward Teller commence des études supérieures à l'institut de technologie de Budapest, puis étudie la chimie à Karlsruhe (Allemagne), avant de rejoindre l'université de Munich et d'y étudier la mécanique quantique sous la direction d'Arnold Sommerfeld. C'est finalement à Leipzig, sous la dir […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/edward-teller/#i_12533
THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE
Dans le chapitre « L'énergie de fusion » : […] Le noyau d'un atome est constitué de deux types de particules appelées nucléons : les protons de charge positive et les neutrons de charge nulle. La cohésion des nucléons, et donc la stabilité des atomes, est assurée par une force à courte portée (10 —15 m) appelée interaction forte. Elle s'oppose à la force électrostatique qui est, au contraire, répulsive pour les partic […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/energie-thermonucleaire/#i_12533
WHEELER JOHN ARCHIBALD (1911-2008)
Le physicien américain John Archibald Wheeler, né le 9 juillet 1911 à Jacksonville en Floride, est connu pour ses importantes contributions à la physique nucléaire et à la relativité générale. Fils aîné d'un bibliothécaire, John Archibald Wheeler soutient sa thèse de doctorat à l'université Johns Hopkins de Baltimore (Maryland) en 1932. Après quelques mois à l'université de New York où il étudie a […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/john-archibald-wheeler/#i_12533
WIGNER EUGENE PAUL (1902-1994)
Physicien théoricien américain d'origine hongroise (il est né le 17 novembre 1902 à Budapest), professeur à Princeton, Prix Nobel de physique en 1963 (avec M. Goeppert-Mayer et H. D. Jensen), auteur de contributions fondamentales à la physique mathématique et à la mécanique quantique en général, à la théorie du solide, à la physique nucléaire et à la physique des particules élémentaires en partic […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/eugene-paul-wigner/#i_12533
WU CHIEN-SHIUNG (1912-1997)
La physicienne Chien-Shiung Wu est décédée à New York le 16 février 1997. Née le 31 mai 1912 près de Shanghai (Chine), elle commença ses études en Chine à l'université de Nanjing puis rejoignit l'université de Californie à Berkeley où elle obtint son doctorat de physique en 1940. Sa participation au projet Manhattan fut décisive dans le domaine de l'enrichissement de l'uranium en isotope fissile […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/wu-chien-shiung-1912-1997/#i_12533
YUKAWA HIDEKI (1907-1981)
Physicien japonais, né le 23 janvier 1907 à Tōkyō, dans une famille bourgeoise, nourrie de culture classique, notamment chinoise, dans la tradition confucéenne, Yukawa Hideki était le cinquième de sept enfants qui devinrent, pour la plupart, d'éminents universitaires. Son père, Ogawa Takuji, géologue et géographe, fut nommé professeur à l'université de Kyōto et c'est donc dans cette ville que Yuka […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/yukawa/#i_12533
Voir aussi
Pour citer l’article
Bernard PIRE,
« NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) -
