Noyau atomique - Définition

Introduction

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 100 000 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.

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.

Composition et structure

Le noyau d'un atome est composé de particules appelées nucléons (des neutrons électriquement neutres et des protons chargés positivement) extrêmement liées (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 principale dans le 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.

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, ce qui explique sa neutralité électrique, Z est également le nombre d'électrons d'un élément.

Pour un même élément, on trouve dans la nature différents nucléides possédant des nombres de neutrons différents. Ces noyaux 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 composent un noyau. Le nombre de neutrons N est égal à A - Z.

Un nucléide X est donc un noyau 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. De façon générale, ce qui différencie deux isotopes est leur stabilité : les isotopes "lourds" sont souvent plus instables donc radioactifs. Par exemple, le carbone 12 (le plus courant) est plus stable que le carbone 14 (radioactif et plus rare).

Masse atomique

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

Exemple : 6,022×10²³ atomes de carbone pèsent environ 12 g

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.

Stabilité

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. Cette instabilité est due au grand nombre de nucléons qui fait diminuer l'énergie unitaire de chaque liaison dans le noyau, le rendant moins cohérent. La transformation (spontanée) par radioactivité se traduit toujours par une augmentation de l'énergie de liaison moyenne des nucléons concernés.

On distingue 3 types de radioactivités, selon le type de particule émise :

• 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.

Nombre de nucléons

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

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 certains noyaux.

Demi-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)

intervalle de durée	Isotope	Demi-vie
<1 seconde
de 1 seconde à 1 minute	Azote 16	7,13 s
	Fluor 20	11,163 s
de 1 minute à 1 heure	Oxygène 15	2,037 min
de 1 heure à 1 jour	Fluor 18	1,8293 h
de 1 jour à 1 an	Radium 224	3,62 j
	Radon 222	3,8235 j
de l'année au millénaire	Cobalt 60	5,272 ans
	Tritium (Hydrogène 3)	12,329 ans
	Strontium 90	28,78 ans
	Césium 137	30,254 ans
du millénaire au million d'années	Radium 226	1602 ans
	Carbone 14	5730 ans
	Chlore 36	301 000 ans
	Aluminium 26	717 000 ans
du million d'années au milliard d'années	Uranium 235	704×106 ans
Du milliard (109), au millier de milliards (1012) d'années	Potassium 40	1,28×109 ans
	Uranium 238	4,468×109 ans
	Thorium 232	14,05 ×109 ans
	Samarium 147	106×109 ans
Du millier de milliards (1012), au million de milliards (1015) d'années	Osmium 184	56×1012 ans
	Indium 115	441×1012 ans
Du million de milliards (1015), au milliard de milliards (1018) d'années	Xénon 124	110×1015ans
	Vanadium 50	140×1015 ans
Au-delà du milliard de milliards d'années, (> 1018 ans)	Calcium 48	> 6×1018 ans
	Molybdène 100	10×1018 ans
	Bismuth 209	(19 ± 2)×1018 ans
	Zirconium 96	38×1018 ans
	Tellure 130	790×1018 ans
Au-delà du million de milliards de milliards d'années, (> 1024 ans)	Tellure 128	2,2×1024 ans

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 aurait, selon la théorie, une demi-vie 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.

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). En première approximation, on considère généralement que le rayon r d'un noyau de nombre de masse A vaut (modèle de la goutte liquide) :

,

avec r₀ = 1,4 fm.

À noter lorsque A est petit, notamment pour O-16, r₀ peut valoir 1,2 fm.

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. Des formes assez étranges peuvent être observées selon les états d'excitation, en poire, en soucoupe, voire en cacahuète.

Dans le cas des noyaux à halo, quelques nucléons peuvent avoir des fonctions d'onde nettement distendues, 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 halo de deux neutrons ; sa taille est alors proche de celle du plomb 208, qui possède 20 fois plus de nucléons.

Le noyau stable le plus lourd est constitué de 82 protons et 126 neutrons : il s'agit du plomb 208. Les éléments radioactifs plus lourds ont été synthétisés en laboratoire. L'élément le plus lourd connu à ce jour compte 118 protons : il s'agit de l'ununoctium.