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 (mpc2 = 938, 28 MeV et mnc2 = 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[...]
La suite de cet article est accessible aux abonnés
- Des contenus variés, complets et fiables
- Accessible sur tous les écrans
- Pas de publicité
Déjà abonné ? Se connecter
Écrit par
- Luc VALENTIN : professeur à l'Institut de physique nucléaire, université de Paris-VII
Classification
Pour citer cet article
Luc VALENTIN. NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) - Noyau atomique [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )
Médias
Spectroscopie au voisinage du plomb 208
Encyclopædia Universalis France
Densité de charge
Encyclopædia Universalis France
Moment quadrupolaire
Encyclopædia Universalis France
Autres références
-
ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES
- Écrit par Michel CROZON, Jean-Louis LACLARE
- 3 528 mots
- 3 médias
...qui permit de disposer de sources de particules de faible vitesse : particules α ou noyaux d'hélium (rayonnement α) et électrons (rayonnement β). La physique nucléaire expérimentale démarra avec l'étude des effets de ces rayonnements sur les noyaux atomiques. Très vite, on éprouva le besoin de changer... -
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... - Afficher les 55 références
Voir aussi
- NOYAU ATOMIQUE
- ROTATION SPECTRE DE, physique nucléaire
- VIBRATION SPECTRE DE, physique nucléaire
- NOMBRE DE MASSE (A)
- CORIOLIS ACCÉLÉRATION ou FORCE DE
- MOMENT D'INERTIE
- COLLISION, physique
- COLLISIONS INÉLASTIQUES
- NUCLÉAIRES RÉACTIONS
- EXCITATION, physique
- CAPTURE DE NEUTRONS
- CHARGE ÉLECTRIQUE
- COUCHES MODÈLE EN, physique nucléaire
- APPARIEMENT EFFET D', physique nucléaire
- SAXON-WOODS POTENTIEL DE
- QUADRUPOLAIRE MOMENT
- FISSION NUCLÉAIRE
- NUCLÉONS
- GOUTTE LIQUIDE MODÈLE DE LA
- NOMBRES MAGIQUES
- GAZ DE FERMI MODÈLE DU
- NUMÉRO ATOMIQUE ou NOMBRE ATOMIQUE (Z)
- OSCILLATEUR HARMONIQUE
- PAULI PRINCIPE D'EXCLUSION DE
- NUCLÉAIRES FORCES, physique
- LUTÉTIUM
- ÉNERGIE DE LIAISON
- MÉTASTABILITÉ, chimie physique
- NOYAUX DOUBLEMENT MAGIQUES, physique nucléaire
- SPIN-ORBITE INTERACTION
- MODÈLE, physique
- IONS LOURDS FAISCEAUX D'
- STABILITÉ, physique nucléaire
- MODÈLE COLLECTIF, physique nucléaire
- INTERACTION NUCLÉAIRE FAIBLE
- APPROXIMATION
- ÉNERGIE CINÉTIQUE
- DISTRIBUTION DE CHARGE
- INTERACTION NUCLÉAIRE FORTE
- DÉSINTÉGRATION, physique
- RADIOACTIVITÉ ARTIFICIELLE
- DIFFUSION ÉLASTIQUE
- BETHE & WEIZSÄCKER FORMULE DE
- NILSSON MODÈLE DE
- MODÈLE NUCLÉAIRE
- ÉTAT QUANTIQUE
