Noyau atomique - Définition et Explications

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 considérablement plus petite que celle de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) (10^-10 m) et concentre quasiment toute sa 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 masse grave)....).

Caractéristiques physiques

L'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) 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 d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte, force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf....) prépondérante à l'échelle du noyau, qui maintient les nucléons ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 de protons du noyau d'un atome. Un atome peut être schématisé en première approche...) 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 grammatical ».) 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 de nucléons du noyau d'un atome.) 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 total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est...) 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 ^A_ZX (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 neutron. Son nombre de masse est 2.) D ou ²₁H et le tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en...) 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 perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier,...) 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 relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée à 12...) distincte permet de les séparer à l'aide d'une centrifugeuse ou d'un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un...).

Masse atomique

La masse atomique isotopique d'un élément est la masse correspondant à N_A nucléides de ce même isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le...), N_A 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 changement dans le monde.), 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 élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent,...).

Stabilité

La stabilité d'un 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)...) 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 transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.). Ou plus précisément, la transformation (spontanée) de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie...) 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 quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient...) des nucléons concernés.

Exemple : l'Uranium 235 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 de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent...).

• Radioactivité α s'il émet un ou plusieurs nucléons (proton, 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,...) 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 électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) ou 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.).

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 positive.) 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 d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) 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 s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...), 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 champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du...) de sa dernière (trans-)formation : ~10¹⁵ s (?)

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 représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui...) (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 trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...), 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 et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de...) 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 l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) d'avoir une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) suffisante de détecter le nucléon dans le 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 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 masse volumique d'un corps pris comme référence....) 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 l'univers.) les noyaux dans leur état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à...) (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 dimensions. Il fait donc partie des quadriques, avec pour caractéristique principale...) 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 suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de...) de deux neutrons ; sa taille est alors comparable à celle du plomb 208 qui possède 20 fois plus de nucléons.

Notes et références