Noyau atomique - Définition et Explications

Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.

Introduction

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 environ 100 000 fois 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...). Les forces nucléaires qui s'exercent entre les nucléons sont à peu près un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) 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 (La transmutation est la transformation d'un élément chimique en un autre par une...), soit spontanée soit provoquée par l'arrivée d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) supplémentaire.

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.

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 (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...) principale dans le 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 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...).

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.

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, 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 (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 (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 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 de décomposer une quantité...). De façon générale, ce qui différencie deux isotopes est leur stabilité : les isotopes "lourds" sont souvent plus instables donc radioactifs. Par exemple, le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) 12 (le plus courant) est plus stable que le carbone 14 (Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté 14C.) (radioactif et plus rare).

Masse atomique

La masse atomique isotopique d'un élément est la masse correspondant à N nucléides de ce même isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...), 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 (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

Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de liaison

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...). 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 (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) 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 (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....) avec un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...).

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 (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...).
  • l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) 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.

Nombre de nucléons

La stabilité d'un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de...) dépend de la nature et du nombre de nucléons qui le composent.

Il a été constaté une plus grande fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 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 (L'abondance naturelle est le pourcentage en nombre d'atomes de chacun des isotopes tel que trouvé...) d'isotopes stables est plus grande : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. C'est le cas par exemple du noyau d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...), 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 (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.

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 ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) à 1 minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...)
Azote 16
7,13 s
Fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du...) 20
11,163 s
de 1 minute à 1 heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...)
Oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) 15
2,037 min
de 1 heure à 1 jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...)
Fluor 18 (Le fluor 18, noté 18F, est l'isotope du fluor dont le nombre de masse est égal à...)
1,8293 h
de 1 jour à 1 an
Radium (Le radium est un élément chimique de symbole Ra et de numéro atomique 88.) 224
3,62 j
Radon 222 (Le radon 222, noté 222Rn, est l'isotope du radon dont le nombre de masse est égal à...)
3,8235 j
de l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) au millénaire (Un millénaire est une période de mille années, c'est-à-dire de dix siècles.)
Cobalt 60 (Le cobalt 60, noté 60Co, est l'isotope du cobalt dont le nombre de masse est égal à...)
5,272 ans
Tritium (Hydrogène 3)
12,329 ans
Strontium 90 (Le strontium 90, noté 90Sr, est l'isotope du strontium dont le nombre de masse est égal...)
28,78 ans
Césium 137 (Le césium 137, noté 137Cs, est l'un des 39 isotopes connus du césium...)
30,254 ans
du millénaire au million d'années
Radium 226
1602 ans
Carbone 14
5730 ans
Chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de...) 36
301 000 ans
Aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) 26
717 000 ans
du million d'années au milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) d'années
Uranium 235 (L'uranium 235, noté 235U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...)
704×106 ans
Du milliard (109), au millier de milliards (1012) d'années
Potassium 40 (Le potassium 40, noté 40K, est l'isotope du potassium dont le nombre de masse est égal...)
1,28×109 ans
Uranium 238 (L'uranium 238, noté 238U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...)
4,468×109 ans
Thorium 232 (Le thorium 232, noté 232Th, est l'isotope du thorium dont le nombre de masse est égal...)
14,05 ×109 ans
Samarium (Le samarium est un élément chimique, de symbole Sm et de numéro atomique 62.) 147
106×109 ans
Du millier de milliards (1012), au million de milliards (1015) d'années
Osmium (L’osmium est l'élément chimique du tableau périodique dont le symbole est Os...) 184
56×1012 ans
Indium (L'indium est un élément chimique, de symbole In et de numéro atomique 49. C'est un...) 115
441×1012 ans
Du million de milliards (1015), au milliard de milliards (1018) d'années
Xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le...) 124
110×1015ans
Vanadium (Le vanadium est un élément chimique, de symbole V et de numéro atomique 23.) 50
140×1015 ans
Au-delà du milliard de milliards d'années, (> 1018 ans)
Calcium 48 (Le calcium 48, noté 48Ca, est l'isotope du calcium dont le nombre de masse est égal...)
> 6×1018 ans
Molybdène (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.) 100
10×1018 ans
Bismuth 209 (Le bismuth 209, noté 209Bi, est l'isotope du bismuth dont le nombre de masse est égal...)
(19 ± 2)×1018 ans
Zirconium (Le zirconium est un élément chimique, de symbole Zr et de numéro atomique 40.) 96
38×1018 ans
Tellure (Le tellure est un élément chimique, de symbole Te et de numéro atomique 52. C'est un...) 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 (Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les...) (méta?)stable. Le proton aurait, selon la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...), une demi-vie 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 vérifié cette prédiction : le proton serait plus stable que prévu.

Taille et forme

Le rayon d'un nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau...) 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). En première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...), on considère généralement que le rayon r d'un noyau de nombre de masse A vaut (modèle de la goutte liquide) :

r=r_\circ A^{\frac{1}{3}},
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 (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 tous 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. Des formes assez étranges peuvent être observées selon les états d'excitation, en poire (La poire est un fruit climactérique constitué du réceptacle floral, le piridion, sur...), en soucoupe, voire en cacahuète.

Dans le cas des noyaux à halo, quelques nucléons peuvent avoir des fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 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 (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) 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 (L'ununoctium (nom provisoire attribué par l'UICPA) est l'élément chimique de...).

Page générée en 0.099 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique