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, 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

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

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Selon la relation d'Einstein, l'énergie de liaison (E_L) d'un noyau est la différence entre sa masse M et la somme des masses des protons (M_P) et des neutrons (M_N) constituants ; pour un noyau contenant Z protons et N neutrons, elle est égale à : E_L = (Z M_P + N M_N — 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 nombre de masse (A), leur rayon étant approximativement donné par la formule : R = 1,2A^1/3 × 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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