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Les Nucléons

Dossier - Voyage au coeur de la matière
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Vous restez imperméable à la physique ? Découvrez dans ce dossier les éléments qui composent la matière, expliqués simplement : forces, atomes et nucléons, radioactivité...

  
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Un nucléon est le constituant du noyau atomique. Il y a deux sortes de nucléons : les protons qui ont une charge électrique positive, et les neutrons qui n'ont pas de charge électrique (ils sont électriquement neutres). Mais de quoi est fait un nucléon ? Quelle est sa masse, sa taille ?

Un nucléon est constitué de quarks up et de quarks down. © DR

De quoi est fait un nucléon ?

Un nucléon est un objet composite très complexe. Dans la vision la plus simple, on peut dire que les nucléons sont constitués de différents quarks : 

  • les quarks up (notés u), de charge électrique +2/3 de la charge d'un électron ;
  • les quarks down (notés d), de charge électrique -1/3 de la charge d'un électron. 

Ainsi, le proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down (uud), sa charge électrique est donc +1 (=+2/3+2/3-1/3). Le neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down (udd), sa charge électrique est donc 0 (=+2/3-1/3-1/3).

Un peu d'histoire

Lorsque les protons et les neutrons furent découverts (entre 1911 et 1932), les physiciens pensaient que ces particules étaient élémentaires, c'est à dire qu'elles étaient indivisibles, qu'elles n'avaient pas de structure interne.

Il fallut attendre les années 1967-70 pour que Bjorken et Feynman imaginent la présence d'une structure dans les nucléons, les quarks. Mais, comme il est théoriquement impossible d'observer un quark libre, ce n'est qu'en 1975 que l'existence des quarks put être prouvée expérimentalement.

Qu'est-ce qui lie les quarks entre eux ?

Les quarks d'un proton ou d'un neutron sont liés par l'interaction forte.

Cette interaction, en plus de lier les quarks entre eux au sein d'un nucléon, permet aussi aux nucléons de s'attirer pour former un noyau atomique. En effet, les protons ayant tous la même charge électrique, ils se repoussent par l'interaction électromagnétique. Heureusement, cette dernière est beaucoup plus faible que l'interaction forte, qui attire les nucléons entre eux, et permet donc aux noyaux atomiques de rester stables. De plus, les neutrons étant totalement insensibles à l'interaction électromagnétique (leur charge électrique est nulle), ils ne peuvent être liés à l'atome que par l'interaction forte.

Quelle est la taille d'un nucléon ?

La taille d'un nucléon est d'environ 10-15 m, soit un millionième de millionième de millimètre !
Un quark est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si les quarks ont une taille, elle est inférieure à 10-18 m, soit au moins mille fois plus petit que le nucléon !

Quelle est la masse d'un nucléon ?

La masse d'un nucléon est environ de 1,7 10-27 kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme ! Les protons et les neutrons ont quasiment la même masse : celle du proton est de 1,673 10-27 kg, celle du neutron est de 1,675 10-27 kg.

Bien que leur masse soit très petite, les nucléons constituent 99,97 % de la masse de la matière !