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Physique nucléaire

La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :

  • la structure nucléaire, qui vise à comprendre comment les nucléons (protons et neutrons) interagissent pour former le noyau.
  • les mécanismes de réaction dont le but est de décrire les différentes façons qu'ont les noyaux d'interagir : fission, fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à température...), diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur...) (élastique, inélastique), etc.
  • les aspects inter-disciplinaires qui explorent les interactions entre la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et les autres sciences fondamentales telles que l'astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles, planètes, galaxies, milieu interstellaire par...) (nucléo-synthèse), la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies...) (brisure de symétries), la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) atomique, etc.
  • les applications de la physique nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) à la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement...), à la production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), à la fabrication d'armes.

Introduction

La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et possède...) est constituée de molécules, elles-mêmes constituées d'atomes. Ces atomes sont formés d'un noyau central entouré par un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière...) électronique. La physique nucléaire est la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour...) qui s'intéresse à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) des phénomènes physiques faisant intervenir le noyau atomique (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 considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et...). En raison de la taille microscopique de celui-ci, les outils mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les...) utilisés s'inscrivent essentiellement dans le cadre du formalisme de la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination...).

Le noyau atomique est constitué de nucléons, qui se répartissent en protons et en neutrons. Les protons sont des particules qui possèdent une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) élémentaire positive, alors que les neutrons sont des particules neutres. Ils n'ont qu'un moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.), et ne sont donc que peu sensibles au champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ...), contrairement aux protons. Si l'on assimilait le noyau atomique à une sphère (Une sphère est une surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de cette distance commune au centre est appelée...) dure, le rayon de cette sphère serait de quelques fermis, 1 fermi valant 10-15 mètres (1 fermi = 1 femtomètre). Les noyaux possédant la même valeur de Z sont appelés isotopes.

Cohésion du noyau

L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte maintient la cohésion des nucléons au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un...) du noyau. C'est la plus intense des quatre forces fondamentales de la nature (d'où son nom). Elle se caractérise par le fait qu'elle est fortement attractive à courte distance (lorsque les nucléons se rapprochent très près l'un de l'autre), répulsive à "moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...)" distance, et s'annule à longue distance. Les protons étant des particules chargées, ils interagissent également via l'interaction coulombienne. Si le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons dans le noyau est important, cette dernière prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) d'énergie qui assure la cohésion du noyau est appelée énergie de liaison du noyau.

Réactions nucléaires

Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de l'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système, dans le but de...) d'un ou plusieurs noyaux. Participent alors à la réaction protons et neutrons (notés respectivement p et n), mais également d'autres particules, tels les électrons e-, les positrons e+...

Les réactions nucléaires peuvent être de plusieurs types. Pour ne citer que les plus importantes :

  • la fission : un noyau lourd se brise en plusieurs fragments. C'est ce type de réaction qui est mis en œuvre dans les bombes atomiques de type A, et, dans un but plus pacifique, dans les centrales nucléaires.
  • la fusion : plusieurs noyaux légers fusionnent. C'est le mode de production d'énergie des étoiles. La fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut...) est à la source de la nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire.) qui permet d'expliquer la genèse de tous les éléments du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique de Mendeleïev et de leurs isotopes. C'est également le type de réaction qui est utilisé dans les bombes dites à hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs...) est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) international ITER.
  • la radioactivité : un noyau émet une ou plusieurs particules spontanément. On distingue les radioactivités α, où un noyau d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des...) est émis; la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique...) β où sont émis soit un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et un anti-neutrino électronique (β ), soit un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.) et un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules.) électronique (β + ) et la radioactivité γ par laquelle un noyau perd son énergie par un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) de haute énergie.
  • réactions de knock-out : des particules légères (neutrons par exemple) sont envoyées sur un noyau cible et expulsent un ou plusieurs nucléons de ce noyau.
  • réactions de diffusion (élastique ou inélastique) : des particules légères ou des noyaux, qui constituent le projectile, sont envoyés sur un noyau cible mais de façon à éviter une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) frontale. Le projectile est dévié par la cible mais a modifié l'état de cette dernière. Dans le cas d'une diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la quantité d'énergie cinétique entre deux corps est conservée.), l'énergie de la cible n'est pas modifiée, au contraire d'une diffusion inélastique.

Aspects interdisciplinaires

  • Nucléosynthèse : fabrication dans l’Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) des divers noyaux qui le constituent actuellement
  • Fonctionnement des étoiles : histoire de l’évolution d’une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.), avec la fourniture d’énergie par les réactions nucléaires, au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la...) et à mesure de l’épuisement du carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) initial, l’hydrogène.

Applications du nucléaire

La production d'énergie à des buts militaires ou pacifiques, et la médecine sont les grands domaines qui tirent parti des propriétés des noyaux atomiques.

  • Production d'énergie - L'énergie nécessaire pour maintenir la cohésion du noyau (pour confiner les neutrons et protons dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'espace limité) est colossale. Il est techniquement possible d'exploiter cette énergie, soit de façon incontrôlée (bombe atomique, bombe H), soit de façon contrôlée (énergie nucléaire mise en œuvre dans les centrales de production d'électricité).
  • Médecine - La médecine nucléaire (La médecine nucléaire est l'ensemble des applications médicales des radiotraceurs, ou sources radioactives non scellées.) repose d'abord sur l'utilisation de sources radioactives et de l'interaction de molécules contenant des isotopes radioactifs avec les tissus humains. Cette interaction est exploitée à des fins de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi, „la...) (radiologie par exemple) ou de traitement (radiothérapie). À partir des années 1980 se sont développées les techniques d’imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait...) par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.) (IRM) qui font appel aux propriétés magnétiques des noyaux.

Historique

Jusqu'au tournant du XXe siècle, on a cru que les atomes étaient les constituants ultimes de la matière. La découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel (Antoine Henri Becquerel est un physicien français né le 15 décembre 1852 à Paris et décédé le 25 août 1908 au Croisic.) et les études qui suivirent, en particulier par les époux Curie, commencèrent de suggérer que les atomes étaient peut-être eux-mêmes des objets composés. Comment, sinon, la matière pourrait elle émettre spontanément des particules comme dans le cas de la radioactivité alpha ?

C’est en 1911 que Rutherford découvrit que les atomes semblaient effectivement être des objets composés. En analysant la diffusion de particules alpha émises par une source radioactive à travers une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au...) d'or, il en vint à conclure que le plus simple semble de supposer que l'atome contient une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) [électrique] centrale distribuée dans un volume très petit ("it seems simplest to suppose that the atom (L'appellation Atom se réfère à deux standards liés.) contains a central charge distributed through a very small volume...", Philosophical Magazine, Series 6, vol. 21, May 1911, p. 669-688). Le modèle de Rutherford de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un...) était donc un noyau central possédant une charge électrique entouré par des électrons maintenus en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) par l'interaction électromagnétique. Il avait déjà été proposé en 1904 par Nagaoka.

En 1919, Rutherford toujours découvre l'existence dans le noyau du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.), particule possédant une charge positive élémentaire e, mais possédant une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) beaucoup plus grande que celle de l'électron (qui lui a une charge électrique élémentaire négative). En 1932, Chadwick met en évidence l'existence du neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants...), particule très semblable au proton, hormis le fait qu'il ne possède pas de charge électrique (d'où son nom). À la même période, Heisenberg propose que le noyau atomique est en fait constitué d'un ensemble de protons et de neutrons.

Structure nucléaire

Mécanismes de réaction

Applications de la physique nucléaire

En astrophysique

En archéologie

En médecine

Production d'énergie

L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise est l'objet du projet international ITER.

Applications militaires

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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