NUCLÉAIRE (PHYSIQUE)Les principes physiques

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Les descriptions théoriques du noyau atomique

La compréhension théorique du noyau s'est révélée très difficile. Divers modèles représentent bien certaines de ses propriétés, mais la théorie bute sur une difficulté (souvent appelée problème à N corps) commune à la physique des systèmes formés de nombreux constituants. Développé dès la fin des années 1930, le modèle de la goutte liquide assimilait le noyau atomique à une goutte sphérique d'un liquide incompressible de masse volumique extraordinairement élevée (de l'ordre de 1017 kg/m3) et dans laquelle la charge électrique serait uniformément diluée. Les neutrons et les protons interagiraient entre eux par une unique force de très courte portée. Ce modèle, essentiellement classique et macroscopique, a donné des résultats précieux sur la stabilité des noyaux vis-à-vis de la radioactivité β et de la fission spontanée.

Le modèle en couches

Le modèle en couches du noyau atomique développé entre 1948 et 1950, en particulier par Johannes Hans Daniel Jensen et Maria Goeppert Mayer (tous deux Prix Nobel de physique 1963), a permis d'expliquer un grand nombre de propriétés structurales du noyau. La remarquable stabilité des noyaux contenant un « nombre magique » (c'est-à-dire 2, 8, 20, 50, 82 ou 106) de protons ou de neutrons suggère que, de manière analogue aux orbites électroniques décrites par Niels Bohr, les nucléons (protons ou neutrons) se meuvent sur des orbites appartenant à des couches bien séparées, les nombres magiques correspondant à des couches complètes. Ce modèle, essentiellement quantique, assigne aux nucléons l'occupation d'états définis par quelques nombres entiers (appelés nombres quantiques), un seul nucléon pouvant occuper un état déterminé. Il suppose de plus une forte interaction entre le moment angulaire intrinsèque – ou spin – des nucléons et leur moment angulaire orbital. De nombreuses conséquences de cette hypothèse sur la structure des niveaux d'énergie des noyaux furent vérifiées par les mesures expérimentales.

Niels Bohr et Ivan P. Pavlov

Photographie : Niels Bohr et Ivan P. Pavlov

Le physicien danois Niels Bohr et le physiologiste russe Ivan Petrovitch Pavlov en 1934. 

Crédits : Yakov Khalip/ Slava Katamidze Collection/ Hulton Archive/ Getty Images

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Le modèle en couches, convenablement amendé par le modèle de la goutte liquide, prévoit l'existence de noyaux superlourds relativement stables. Depuis les années 1980, les efforts d'équipes rassemblées au laboratoire G.S.I. (Gesellschaft für Schwerionenforschung) de Darmstadt (Allemagne) ont permis de synthétiser les noyaux ayant un nombre atomique Z compris entre 106 et 112. L'élément 112, par exemple, a été obtenu pour la première fois en 1996, sous la forme d'un noyau radioactif fait de 112 protons et de 165 neutrons, de demi-vie égale à une fraction de milliseconde. Pour le former, les chercheurs ont précipité sur une cible de plomb des ions de zinc accélérés à une énergie cinétique de 343,8 MeV. Un dispositif électromagnétique de séparation des produits de réaction permet d'extraire le nouveau noyau et d'analyser sa voie principale de désintégration, ce qui signe son identité. Dans le cas de l'élément 112, on a observé des désintégrations α successives amenant au fermium (Z = 100), en passant par de nouveaux isotopes de l'élément 110 (A = 273) et du hassium (Z = 108 et A = 269). Les recherches se poursuivent afin d'atteindre Z = 114, nombre autour duquel les modèles théoriques prévoient un îlot de stabilité.

Le modèle collectif

Le modèle en couches ne rendait pas compte de la déformation de la distribution de charge, souvent observée. James Rainwater, Aage Bohr et Ben Mottelson (Prix Nobel de physique 1975) proposèrent indépendamment en 1950 de considérer l'influence des nucléons externes sur le comportement collectif des nucléons du cœur du noyau. La déformation moyenne qui en résulte amène à ajouter des niveaux supplémentaires aux niveaux d'énergie prévus par le modèle en couche ; ainsi un noyau subissant une rotation globale peut se désexciter – c'est-à-dire ralentir sa rotation – en émettant des photons. La mise en évidence des modes d'oscillation de surface, de compression et de polarisation des états excités nucléaires prouve la validité de cette approche qui unifie en quelque sorte le modèle de la goutte et le modèle en couches.

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James Chadwick

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

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) - Les principes physiques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire-physique-les-principes-physiques/