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Les noyaux

Dossier - La radioactivité : le phénomène physique 1/3
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La radioactivité est le plus souvent abordée sous l’angle de ses risques. Elle l’est plus rarement sous l’angle de ses nombreuses applications, et presque jamais (hors des publications spécialisées) sous l’angle du phénomène physique lui-même. Quant à sa riche histoire, elle est parfois réduite à ses aspects anecdotiques (ah, le « hangar » des Curie !). Il a donc paru utile de rassembler un dossier en 3 parties qui traitent du phénomène physique de la radioactivité, de l’histoire de la compréhension de ce phénomène et de sa perception par la société, et enfin de ses multiples applications contemporaines.

  
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La matière est constituée d'atomes, le plus souvent assemblés en molécules ou en cristaux. Ces atomes sont très petits, de l'ordre du dix milliardième de mètre, et ils sont très nombreux : 6x1023 atomes par gramme d'hydrogène par exemple. Ils sont eux-mêmes formés d'un nuage d'électrons au sein duquel est enfoui un noyau cent mille fois plus petit : si le nuage électronique avait la taille de la place de la Concorde, le noyau aurait la taille d'un petit pois.

La place de la Concorde

La taille du noyau est donc de l'ordre du femtomètre (un millionième de milliardième de mètre) que les physiciens ont rebaptisé fermi (fm) en l'honneur d'Enrico Fermi. À cette échelle, les énergies se mesurent en MeV (millions d'électron-volts), unité mieux adaptée que le joule. 1 MeV ne représente que 160 millionièmes de milliardièmes de joule, mais les atomes (et donc leurs noyaux) sont nombreux : si tous les noyaux d'un gramme d'hydrogène possèdent chacun une énergie de 1 MeV, ce gramme possède une énergie de 100 milliards de joules, soit 30 MWh, l'énergie de 2 tonnes de pétrole ou de 25 tonnes de TNT. On voit ainsi apparaître l'immense quantité d'énergie stockée dans les noyaux.

Le noyau est un assemblage de deux types de particules, les neutrons et les protons. Comme leur nom l'indique, les neutrons sont électriquement neutres et ils ont une masse de 939.6 MeV. Les protons sont un peu plus légers (938.3 MeV) et possèdent une charge électrique positive (égale à celle de l'électron mais de signe opposé). Le nombre d'électrons détermine les propriétés chimiques de l'atome : 6 électrons, c'est du carbone, 7 c'est de l'azote. L'atome est neutre, et son noyau possède donc le même nombre Z de protons qu'il a d'électrons. Ce nombre Z définit l'identité chimique du noyau, c'est son numéro atomique : Z=6 pour le carbone, Z=7 pour l'azote. Changer le nombre N de neutrons ne modifie pas les propriétés chimiques du corps, mais cela change ses propriétés physiques, et en particulier sa masse. Avec 8 neutrons le carbone est plus lourd qu'avec 6, et en plus il est instable et se transmute en azote. Des noyaux ayant le même nombre Z de protons mais un nombre de neutrons N différent sont appelés des isotopes. Formant les noyaux, protons et neutrons sont appelés des nucléons, et le nombre total A = Z+N de nucléons est le nombre de masse du noyau. On parle alors de carbone 12 (Z=6, N=6) noté 12C, de carbone 14 (Z=6, N=8) noté 14C ou d'uranium 238 (Z=92, N=146) noté 238U. On donne le nom d'isobares aux noyaux de même nombre de masse mais de numéro atomique différent comme l'argon 40, le potassium 40 et le calcium 40.

Les protons du noyau ayant tous la même charge électrique se repoussent, il doit donc y avoir une « colle » pour assurer la cohésion des noyaux. Avec beaucoup d'imagination, on l'a appelée la force nucléaire forte (ou interaction forte). Elle possède des caractéristiques étonnantes, outre son intensité : sa portée se limite à quelques fermis, elle est attractive au-delà de 1 fm, mais répulsive en deçà. 

Représentation (très schématique) de la forme du potentiel nucléaire : répulsion intense à très courte distance, puis attraction diminuant exponentiellement avec la distance.

Les nucléons se collent ainsi les uns aux autres mais en gardant leurs distances : il y a saturation de la force nucléaire. Le volume du noyau est ainsi proportionnel au nombre de nucléons, et son rayon est voisin de 1.2 A1/3 fm : les noyaux ont tous des tailles comparables (4 fm pour le calcium, 7 fm pour le plomb). Leur bord est cependant diffus et ils ressemblent plus des sacs où se promènent des boules de coton qu'à un empilement de boules de billard.

Rayons de quelques noyaux

La « colle » nucléaire assure la cohésion du noyau, ce qui signifie qu'il faut faire un effort pour séparer les nucléons et donc apporter de l'énergie au noyau. Inversement de l'énergie est libérée quand les nucléons se collent les uns aux autres. Cette énergie est l'énergie de liaison. La relation d'Einstein E=mc2 implique que la masse du noyau est inférieure, de 1% environ, à la somme des masses de ses nucléons : ce défaut de masse a été mesuré pour les noyaux les plus stables par Francis Aston à partir de 1920.