NUCLÉAIRE (PHYSIQUE)Noyau atomique

La découverte d'un noyau minuscule au centre de l'atome date du début du siècle (Rutherford, 1911), mais c'est celle du neutron (Chadwick, 1932) qui lança la physique nucléaire sur ses bases actuelles. Depuis lors, en effet, on admet qu'un noyau de numéro atomique Z et de nombre de masse A comporte Z protons et N neutrons, le nombre de neutrons N étant égal à A — Z. Ces deux particules du noyau, appelées globalement nucléons, ne diffèrent essentiellement que par leurs propriétés électromagnétiques : toutes deux sont des fermions de spin 1/2 (cf. physique quantique) et leurs masses sont voisines (m_pc² = 938, 28 MeV et m_nc² = 939, 57 MeV), mais le proton porte une charge positive e alors que le neutron a une charge nulle. On reproduit ainsi les caractéristiques élémentaires de tous les noyaux : une charge Ze, une masse voisine de Am et un spin entier ou non selon que le noyau considéré comporte respectivement un nombre pair ou impair de nucléons. Certes, on sait aujourd'hui que les nucléons sont chacun composés de trois quarks mais, comme les énergies mises en jeu dans un noyau sont très faibles à l'échelle des quarks, on peut raisonnablement continuer à les considérer comme les constituants de base du système nucléaire, de même qu'on considère les atomes comme les constituants des gaz rares aux températures ordinaires.

Observé d'une distance atomique de 10^–10 m, le noyau ressemblerait à un petit pois vu de 100 mètres : le rayon qu'on lui attribue est de l'ordre de quelques femtomètres (1 fm = 10^–15 m), selon la loi approximative R = r₀A1/3, avec r₀ ≃ 1,2 fm. Pourtant, sa masse vaut à peu près celle de l'atome qui lui correspond, puisque la masse d'un nucléon égale environ deux mille fois celle de l'électron. Sa densité moyenne est donc très élevée : on a ρ = M/V ≃ 2 × 10¹⁴ g/cm³, ce qui représente 10³⁸ nucléons/cm³. L'énergie à déployer pour en extraire un nucléon est elle aussi impressionnante, soit en moyenne 8 MeV, c'est-à-dire près de 10⁷ fois plus que l'énergie nécessaire pour délier un électron de l'atome de façon à l'ioniser. On peut y voir la source des performances énergétiques des centrales et des bombes nucléaires (cf. nucléaire). Par exemple, la fission des noyaux d'uranium contenus dans un volume comparable à celui d'un morceau de sucre est capable de fournir autant de calories que la combustion du pétrole remplissant les wagons d'un train de marchandises.

Ces ordres de grandeurs révèlent quelques aspects des forces responsables de la cohésion des noyaux. Tout d'abord, ces forces, dites d'interaction forte, sont beaucoup plus intenses que toutes les autres. En particulier, lorsqu'elles agissent de façon attractive entre deux nucléons, quel que soit leur état de charge électrique, leur intensité est environ mille fois plus grande que celle de la répulsion coulombienne qu'exercent deux protons l'un sur l'autre. En dernière analyse, cette propriété de l'interaction nucléon-nucléon rend compte, pour l'essentiel, de la cohésion du système nucléaire, mais son allure et sa portée jouent aussi un grand rôle. En effet, véhiculé par l'échange de particules massives (les mésons) entre deux nucléons, ce type d'interaction n'entre en jeu que pour de très courtes distances. Par exemple, sa portée la plus longue, associée à l'échange des mésons π, est de l'ordre de 1,5 fm : au-delà de cette distance, deux nucléons, s'ils sont chargés, ne ressentent plus que leur répulsion coulombienne. Il en résulte bien des effets mis en relief par les mesures systématiques de l'énergie de liaison des noyaux : effets de saturation, de surface, de Coulomb, etc.

Les noyaux stables les plus légers ont en moyenne autant de nucléons des deux espèces mais, à cause des forces coulombiennes, les plus lourds comportent un excès de neutrons qui croît avec Z jusqu'à ce que, pour Z ≃ 100, l'émission α et la fission les rendent instables. De ce fait, il n'existe pas d'élément « naturel » dont le nombre de masse soit supérieur à 260 environ. Cependant, on peut produire des éléments « artificiels » par réaction nucléaire. Ceux-ci, comportant un nombre de neutrons ou de protons supérieur à la norme, subissent la radioactivité β^— ou β⁺ respectivement : ils se désintègrent en émettant un électron et un antineutrino pour β^—, ou leurs antiparticules, un positron et un neutrino, pour β⁺. Ces derniers modes radioactifs, dont les périodes sont d'ordinaire très longues à l'échelle des temps nucléaires, manifestent une autre interaction typique de la physique subatomique : l'interaction faible, ainsi appelée parce que son intensité effective est environ 10¹⁴ fois plus faible que celle des forces nucléaires, tout au moins pour les énergies mises en jeu au cours d'une transition β et même d'une désintégration de particule. Véhiculée par l'échange des bosons très massifs récemment découverts, W^± et Z⁰, sa portée, de l'ordre de 2 × 10^—3 fm, est encore bien plus courte que celle de l'interaction forte entre les nucléons (cf. particules élémentaires, interactions (physique)).

Comme tout système quantique, le noyau possède une série d'états excités que l'on observe en détectant les particules émises au cours de transitions radioactives ou de réactions nucléaires. Leurs caractéristiques (énergie propre, spin, parité, moments magnétique et quadrupolaire, etc.) s'avèrent sensibles au moindre changement survenant au sein du milieu. Certains d'entre eux sont de nature individuelle, c'est-à-dire associés au mouvement d'un seul nucléon. D'autres, dits collectifs, mettent en jeu tous les nucléons dans des mouvements de vibration ou de rotation du noyau. Pour interpréter tous ces spectres, il existe quelques modèles simples et complémentaires qui contournent le problème à N corps (A en l'occurrence), insoluble analytiquement et déjà pour N = 3. Tous s'inspirent d'analogies avec d'autres systèmes quantiques où ce problème se pose aussi : atomes, molécules, supraconducteurs, etc. Leur rôle est tout aussi important dans la compréhension des mécanismes de collision induite par des particules ou encore avec des ions lourds, thème de recherche très développé actuellement.

Forme d'équilibre des noyaux

La méthode la plus courante pour obtenir des renseignements sur la forme, ou plus exactement les dimensions, des noyaux, consiste à diriger un faisceau de particules sur une cible contenant l'élément qu'on cherche à étudier, de façon à mesurer, à l'aide de détecteurs, la distribution angulaire des particules diffusées par les noyaux cibles. Si l'accélérateur utilisé délivre des particules de longueur d'onde appropriée, on obtient ainsi une sorte [...]

1  2  3  4  5 …
pour nos abonnés,
l’article se compose de 16 pages

Médias de l’article

Densité de charge
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Moment quadrupolaire
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Énergie de liaison par nucléon
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Noyaux stables et radioactifs : répartition
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 17 médias de l'article