NUCLÉAIRE (PHYSIQUE)Noyau atomique

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 de radioscopie du noyau de l'élément considéré. C'est déjà de cette façon que Rutherford – reprenant les expériences de Geiger et Marsden effectuées avec des particules α issues de sources radioactives – remit en cause les anciens modèles de l'atome (J. J. Thomson) et proposa l'existence d'un noyau central.

Les particules de prédilection pour entreprendre ces mesures sont les électrons de quelques centaines de mégaélectronvolts (λ < 1 fm). Ils permettent, en effet, une analyse très rigoureuse des résultats dans la mesure où, à ces énergies, ils ne subissent, avec les nucléons, que l'interaction électromagnétique connue de façon très précise. L'expression qui reproduit assez bien la distribution de charge des noyaux, obtenue par transformée de Fourier de la distribution angulaire de leur diffusion élastique, est :

où R = r₀A^1/3, avec r₀ = 1,17 fm, définit le rayon nucléaire, a = 2,2 fm est la longueur, dite épaisseur de peau, sur laquelle la densité passe de 90 p. 100 à 10 p. 100 de sa valeur centrale (fig. 1). D'autres expériences, par exemple celles que l'on mène avec des particules sensibles à l'interaction forte, comme le neutron, confirment que la matière dans les noyaux suit cette distribution caractérisée par une densité centrale pratiquement constante et une surface diffuse.

Comme la diffusion élastique est comparable à une pose photographique (ΔE = 0 correspond à Δt = ∞), elle ne fournit pas la forme exacte des noyaux mais son enveloppe dans une sphère. Pour l'obtenir, on exploite d'autres méthodes complémentaires. La plus connue est celle qui consiste à mesurer les effets hyperfins résultant du couplage du moment quadrupolaire des noyaux avec le gradient de champ associé à la distribution des électrons périphériques. Un moment quadrupolaire nul équivaut à une forme sphérique. Il en est ainsi pour les noyaux comportant des protons ou des neutrons en nombres bien particuliers, avec une préférence marquée pour ceux qu'on nomme les nombres magiques : Z ou N = 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126 (fig. 2). À ces exceptions près, la plupart des noyaux ont tendance à avoir un moment quadrupolaire positif, signe d'une forme d'équilibre équivalente à celle d'un ellipsoïde allongé, comme un ballon de rugby. On notera que les noyaux les plus déformés par rapport à la sphère se trouvent dans les régions des terres rares, Z intermédiaire entre 50 et 82, et des actinides, Z intermédiaire entre 82 et 126. Certes, certains noyaux ont plutôt la forme d'un ellipsoïde aplati, comme une soucoupe et d'autres celle d'une poire (moment octupolaire), mais il s'agit de cas particuliers. Signalons enfin que si les noyaux n'ont pas de moment dipolaire électrique, ils possèdent en revanche un moment magnétique quand leur spin est non nul. Cependant, ce dernier ne renseigne pas sur leur forme, mais uniquement sur la distribution de courant et de spin engendrée par le mouvement des nucléons au sein du système.

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

Afficher les 17 médias de l'article