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Posté par Michel le Vendredi 20/07/2012 à 00:00
Le noyau atomique: liquide fissile ou molécule vitale ?
Une nouvelle vision unifiant les deux aspects noyau-liquide et noyau-molécule est révélée par une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec l'Université de Zagreb. En faisant l'analogie avec les étoiles à neutrons (1), les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, l'une des conditions nécessaires à la formation, 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 animal, et en particulier celle des mammifères qui...) du 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 concentre quasiment...), de comportements moléculaires. Ces derniers permettent notamment de comprendre la synthèse des éléments indispensables à l'apparition de la vie (La vie est le nom donné :). Ces travaux sont publiés dans Nature le 19 juillet 2012.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) montrant les états moléculaires du noyau dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).
© Luc Petizon, IPN Orsay

Le noyau atomique est généralement décrit comme une goutte de liquide quantique de l'ordre du millionième de milliardième de mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...). Ce comportement de type liquide explique notamment la fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est...), et s'applique préférentiellement aux noyaux lourds, c'est-à-dire ceux contenant beaucoup de nucléons (les neutrons et les protons). En revanche, les noyaux légers (2) peuvent se comporter comme de minuscules "molécules" - ou agrégats - composés de neutrons et de protons à l'échelle du noyau. Cet aspect moléculaire permet de comprendre la synthèse stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces...) du carbone-12 ou d'éléments plus lourds, nécessaires à l'apparition de la vie (3).

Jusqu'à présent, les deux visions "noyau-molécule" et "noyau-liquide" co-existaient. Aujourd'hui, une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics...) de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Zagreb (Zagreb (API : [/ˈzɑːgrɛb/] ; en hongrois, Zágráb, en italien, Zagabria ; anciennement nommée en allemand, Agram) est une ville et un comitat, capitale de la Croatie. Au...), livre une vision unifiée de ces deux aspects. En résolvant des équations de 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 connaissance de la...) quantique à l'échelle du noyau (et notamment l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à...) de Schrödinger), les chercheurs ont démontré que, si un noyau léger peut présenter un comportement de type moléculaire (qui tend vers l'état cristallin), il adopte, lorsqu'il s'alourdit, un comportement de type liquide. Pour établir cette nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...), les physiciens se sont inspirés des étoiles à neutrons(1). Plus on s'enfonce à l'intérieur de ces étoiles, plus on passe d'un milieu cristallin à un milieu liquide. Grâce à cette analogie, les physiciens ont identifié un mécanisme de transition de l'état liquide vers l'état cristallin du noyau. Lorsque les interactions entre neutrons et protons ne sont pas assez fortes pour les fixer au sein du noyau, celui-ci est alors dans un état de type liquide quantique où neutrons et protons sont délocalisés. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...), dans un état cristallin, neutrons et protons seraient fixés à intervalles réguliers dans le noyau. La molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) est interprétée comme un état intermédiaire entre le liquide quantique et le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie,...). À long terme, il s'agit de comprendre de manière unifiée les différents états du noyau.


Densité de probabilité de présence des neutrons et protons prédite pour le noyau néon-20. On voit qu'elle n'est pas homogène: les neutrons et les protons se répartissent par paquets.
© Jean-Paul Ebran/CEA

Notes:

(1) Le c?ur 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...) massive (Le mot massif peut être employé comme :) qui s'effondre durant une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme...) en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais...) acquiert une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps...) si importante que protons et électrons peuvent se combiner pour former des neutrons. L'astre qui se forme devient ainsi une sorte de noyau atomique géant composé majoritairement de neutrons, d'où le nom de cette étoile.

(2) Comme l'oxygène-16 (16O) qui contient 8 neutrons et 8 protons.

(3) Ainsi, l'état de Hoyle du carbone-12, crucial pour la nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire.), est décrit comme une molécule nucléaire composée de trois particules alphas ; une particule alpha est un agrégat de deux neutrons et de deux protons.


Référence:

?How atomic nuclei cluster?, J.-P. Ebran, Elias Khan, T Nik?i? et D. Vretenar, Nature, 19 juillet 2012


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Source: CNRS