Noyau atomique

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Noyau atomique de l'hélium.

Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10^-15 m) est environ 10 000 fois plus petite que celle de l'atome (10^-10 m) et concentre quasiment toute sa masse. Les forces nucléaires qui s'exercent entre les nucléons sont à peu près un million de fois plus grandes que les forces entre les atomes ou les molécules. Un noyau instable est dit radioactif, il est sujet à une transmutation, soit spontanée soit provoquée par l'arrivée d'un neutron supplémentaire.

[modifier] Caractéristiques physiques

L'atome a une structure lacunaire, c’est-à-dire qu'entre les électrons et le noyau il n'y a que du vide.

[modifier] Composition et structure

Le noyau d'un atome est composé de nucléons extrêmement liés (à l'exception de l'hydrogène dont le noyau est simplement constitué d'un unique proton). Sa cohésion est assurée par l'interaction forte, force prépondérante à l'échelle du noyau, qui maintient les nucléons ensemble et les empêche de s'éloigner les uns des autres.

Pour modéliser cette attraction entre les nucléons, on peut définir une énergie de liaison pouvant être calculée à partir de la formule de Bethe-Weizsäcker.

Deux modèles nucléaires peuvent être utilisés pour étudier les propriétés du noyau atomique :

• le modèle en couches,
• le Modèle de la goutte liquide.

[modifier] Isotopes

Les isotopes sont des atomes ayant des nombres identiques de protons (même numéro atomique Z) mais des nombres de neutrons différents.

Un élément est caractérisé par le nombre de protons qui composent son noyau, précisément appelé numéro atomique et noté Z ; un atome possédant autant d'électrons que de protons, Z est également le nombre d'électrons d'un élément.

Pour un même élément, il est possible d'obtenir différents nucléides correspondant à des nombres de neutrons différents. Les nucléides de même numéro atomique Z sont appelés isotopes de l'élément ayant ce numéro atomique. Le nombre de masse A d'un atome est le nombre total de nucléons (protons et neutrons) qui le composent. Le nombre de neutrons N est égal à A - Z.

Un nucléide X est donc un atome caractérisé par son nombre de masse A et son numéro atomique Z ; il est noté ^A_ZX (lire X A, le numéro atomique étant implicite).

Par exemple, l'hydrogène ¹₁H, le deutérium D ou ²₁H et le tritium T ou ³₁H sont trois isotopes de l'hydrogène.

Différents isotopes d'un même élément possèdent des propriétés chimiques similaires, car elles dépendent essentiellement de son nombre d'électrons. Leur stabilité et demi-vie peuvent cependant être différentes et leur masse atomique distincte permet de les séparer à l'aide d'une centrifugeuse ou d'un spectromètre.

[modifier] Masse atomique

La masse atomique isotopique d'un élément est la masse correspondant à N_A nucléides de ce même isotope, N_A étant le nombre d'Avogadro (environ 6,022 04×10²³).

La masse atomique d'un élément chimique est la moyenne pondérée des masses atomiques de ses isotopes naturels ; certains éléments chimiques possèdent des isotopes radioactifs à très longue période, et par conséquent leur composition isotopique naturelle, ainsi que leur masse atomique évolue sur de longues périodes de temps, telles que les ères géologiques. C'est notamment le cas pour l'uranium.

[modifier] Stabilité

[modifier] Énergie de liaison

Certains noyaux sont stables, c'est-à-dire que leur énergie de liaison est suffisante, rendant alors leur durée de vie illimitée. D'autres sont instables et tendent à se transformer spontanément en un noyau plus stable par émission d'un rayonnement. Ou plus précisément, la transformation (spontanée) de la radioactivité se produit toujours selon une augmentation de l'énergie de liaison moyenne des nucléons concernés.

• Radioactivité α s'il émet un ou plusieurs nucléons (proton, neutron ou particule α)
• Radioactivité β s'il émet un électron ou un positron avec un neutrino.

Ces deux types de radioactivité sont la plupart du temps accompagné d'un rayonnement gamma (émission de photons).

Exemple :

• les Uraniums 235 et 238 ont des demi-vies supérieures à ceux de leur "famille" respective avant de mener aux isotopes stables du Plomb.
• l'azote-16 (16 nucléons, 7 protons, 9 neutrons) se transforme en oxygène-16 (16 nucléons, 8 protons, 8 neutrons) quelques secondes après sa création par radioactivité bêta : l'interaction faible transforme l'un des neutrons du noyau en un proton et un électron, modifiant ainsi le numéro atomique de l'atome.

[modifier] Nombre de nucléons

La stabilité d'un noyau atomique dépend du nombre de nucléons qui le composent.

En effet, pour les noyaux dit légers (Z>20), il a été constaté une plus grande fréquence de noyaux stables (152) s'ils sont composés d'un nombre de protons (Z) et de neutrons (N) pairs. Ce nombre passe à 55 pour Z pair et N impair et à 52 pour Z impair et N pair. Il n'existe que quelques noyaux stables dont le nombre de protons et le nombre de neutrons sont impairs.

Il existe également des nombres magiques (nombre de protons et/ou nombre de neutrons) pour lesquels l'abondance naturelle d'isotopes stables est plus grande : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. C'est le cas par exemple du noyau d'hélium, doublement magique, correspondant à la particule alpha émise par certain noyaux.

[modifier] Demie-vie

La demi-vie d'un isotope est la période au bout de laquelle, statistiquement, la moitié des atomes d'un échantillon initial se seront désintégrés. Les noyaux peuvent posséder des demi-vies très différentes : couvrant en fait toute la plage des durées !

Un noyau est considéré comme étant un élément (par opposition à une résonance) lorsque son temps de vie est assez long pour qu'un cortège électronique ait le temps de se former (soit ~10^-15 s)

[modifier] Noyau stable

En fait, les noyaux dits stables ne le sont que dans la mesure où leur durée de vie avoisine celle du proton, seul baryon (méta?)stable. Le proton a une demi-vie (théorique) d'environ 10³³ ans !

Mais les expériences menées pour mesurer cette désintégration du proton, véritable pierre angulaire de la matière, n'ont pas vérifié cette prédiction. Le proton serait plus stable que prévu...^[1].

[modifier] Taille et forme

Le rayon d'un nucléon est de l'ordre de 10^-15 m, soit 1 fm (le terme de rayon s'entend ici au sens d'avoir une probabilité suffisante de détecter le nucléon dans le volume d'espace considéré). Cela vaut moins de 0,01 % du rayon total de l'atome. La densité du noyau est donc considérablement plus grande que celle de l'atome même. Cette densité est à peu près constante pour tous les noyaux dans leur état fondamental (non excité) ; environ 200 millions de tonnes au cm³ : la densité du fluide nucléaire.

La taille et la forme réelles d'un noyau spécifique dépendent fortement du nombre de nucléons qui le composent, ainsi que de leur état énergétique. Les noyaux les plus stables ont en général une forme sphérique au repos et peuvent prendre, par exemple, la forme d'un ellipsoïde s'ils sont excités.

Dans le cas des noyaux à halo, quelques nucléons seraient situés à une distance nettement plus grande des autres, entourant donc d'un halo le noyau plus compact formé par les autres nucléons. Le lithium 11 semble par exemple composé d'un noyau de lithium 9 (l'isotope le plus stable) entouré d'un nuage de deux neutrons ; sa taille est alors comparable à celle du plomb 208 qui possède 20 fois plus de nucléons.

Le noyau stable le plus lourd est constitué de 92 protons: il s'agit de l'uranium. Des éléments radioactifs plus lourds ont été synthétisés en laboratoire. L'élément le plus lourd connu à ce jour possède 118 protons.

[modifier] Notes et références

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

[modifier] Bibliographie

• Luc Valentin, Le monde subatomique [détail des éditions]