Noyau atomique - Définition et Explications
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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) (10-10 m) et concentre quasiment toute sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...).
Caractéristiques physiques
L'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) a une structure lacunaire, c’est-à-dire qu'entre les électrons et le noyau il n'y a que du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.).
Composition
Le noyau d'un atome est composé de nucléons extrêmement liés (à l'exception de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) dont le noyau est simplement constitué d'un unique proton). Sa cohésion est assurée par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) forte, force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) prépondérante à l'échelle du noyau, qui maintient les nucléons ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) et les empêche de s'éloigner les uns des autres.
Pour modéliser cette attraction entre les nucléons, on peut définir une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de liaison pouvant être calculée à partir de la formule de Bethe-Weizsäcker.
Isotopes
Les isotopes sont des atomes ayant des nombres identiques de protons (même numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre...) Z) mais des nombres de neutrons différents (nombre de masse A).
Un élément est caractérisé par le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 nombre de neutrons différents. Les nucléides de même numéro atomique Z sont appelés isotopes de l'élément ayant ce numéro atomique. Le nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre...) A d'un atome est le nombre total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) de nucléons 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 AZX (lire X A, le numéro atomique étant implicite).
Par exemple, l'hydrogène 11H, le deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1...) D ou 21H et le tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...) 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 (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour...) peuvent cependant être différentes et leur masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse...) distincte permet de les séparer à l'aide d'une centrifugeuse (Une centrifugeuse est un appareil destiné à imprimer une accélération,...) ou d'un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité...).
Masse atomique
La masse atomique isotopique d'un élément est la masse correspondant à NA nucléides de ce même isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...), NA étant le nombre d'Avogadro (environ 6,022 04×1023).
La masse atomique d'un élément chimique est la moyenne pondérée (On nomme moyenne pondérée la moyenne d'un certain nombre de valeurs affectées de coefficients.) 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), telles que les ères géologiques. C'est notamment le cas pour l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un...).
Stabilité
La stabilité d'un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...) dépend du nombre de nucléons qui le composent. Certains noyaux sont stables, c'est-à-dire que leur énergie de liaison est suffisante, rendant alors leur durée de vie (La vie est le nom donné :) illimitée. D'autres sont instables et tendent à se transformer spontanément en un noyau plus stable par émission d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...). Ou plus précisément, la transformation (spontanée) de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) se produit toujours selon une augmentation de l'énergie de liaison moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) des nucléons concernés.
Exemple : l'Uranium 235 (L'uranium 235, noté 235U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...) et 238 ont des demi-vies supérieures à ceux de leur "famille" respective avant de mener aux isotopes stables du Plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...).
- Radioactivité α s'il émet un ou plusieurs nucléons (proton, neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) ou particule α)
- Radioactivité β s'il émet un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) ou un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....).
Ces deux types de radioactivité sont la plupart du temps accompagné d'un rayonnement gamma (émission de photons) ou de neutrinos.
Par exemple, 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 (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et un électron, modifiant ainsi le numéro atomique de l'atome.
La demi-vie d'un isotope est la période au bout de laquelle, statistiquement, la moitié des atomes d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) initial se seront désintégrés. Les noyaux peuvent posséder des demi-vies très différentes : couvrant en fait toute la plage des durées !
Depuis l'infime fraction de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...), où le noyau est dans son état 'normal', fondamental lorsqu'il a plus la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) de sa dernière (trans-)formation : ~1015 s (?)
| intervalle de durée | Isotope | Demi-vie |
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En fait, les noyaux dits stables ne le sont que dans la mesure où ils avoisinent celle du proton, seul baryon (Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les...) (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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), n'ont pas vérifiées cette prédiction. Le proton serait plus stable que prévu...[1].
Taille et forme
Le rayon d'un nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons...) est de l'ordre de 10-15 m, soit 1 fm (le terme de rayon s'entend ici au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) d'avoir une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) suffisante de détecter le nucléon dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) d'espace considéré). Cela vaut moins de 0,01 % du rayon total de l'atome. La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du noyau est donc considérablement plus grande que celle de l'atome même. Cette densité est à peu près constante pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) les noyaux dans leur état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...) (non excité) ; environ 200 millions de tonnes au cm³ : la densité du fluide nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :).
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 (En mathématiques, un ellipsoïde est une surface du second degré de l'espace euclidien à trois...) 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 (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) 11 semble par exemple composé d'un noyau de lithium 9 (l'isotope le plus stable) entouré d'un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) de deux neutrons ; sa taille est alors comparable à celle du plomb 208 (Le plomb 208, noté 208Pb, est l'isotope du plomb dont le nombre de masse est égal...) qui possède 20 fois plus de nucléons.