Physique nucléaire - Définition

Structure nucléaire

L'interaction forte maintient la cohésion des nucléons au sein du noyau. C'est la plus intense des quatre forces fondamentales de la nature (d'où son nom). Elle se caractérise par le fait qu'elle est fortement attractive à courte distance (lorsque les nucléons se rapprochent très près l'un de l'autre), répulsive à « moyenne » distance, et s'annule à longue distance. Les protons étant des particules chargées, ils interagissent également via l'interaction coulombienne. Si le nombre de protons dans le noyau est important, cette dernière prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantité d'énergie qui assure la cohésion du noyau est appelée énergie de liaison du noyau.

Le noyau dans l'Histoire

Jusqu'au tournant du XX^e siècle, on a cru que les atomes étaient les constituants ultimes de la matière. La découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel et les études qui suivirent, en particulier par les époux Curie, commencèrent de suggérer que les atomes étaient peut-être eux-mêmes des objets composés. Comment, sinon, la matière pourrait-elle émettre spontanément des particules comme dans le cas de la radioactivité alpha ?

C’est en 1911 que Rutherford découvrit que les atomes semblaient effectivement être des objets composés. En analysant la diffusion de particules alpha émises par une source radioactive à travers une feuille d'or, il en vint à conclure que le plus simple semble de supposer que l'atome contient une charge [électrique] centrale distribuée dans un volume très petit ("it seems simplest to suppose that the atom contains a central charge distributed through a very small volume...", Philosophical Magazine, Series 6, vol. 21, May 1911, p. 669-688). Le modèle de Rutherford de l'atome était donc un noyau central possédant une charge électrique entouré par des électrons maintenus en orbite par l'interaction électromagnétique. Il avait déjà été proposé en 1904 par Nagaoka.

En 1919, Rutherford toujours découvre l'existence dans le noyau du proton, particule possédant une charge positive élémentaire e, mais possédant une masse beaucoup plus grande que celle de l'électron (qui lui a une charge électrique élémentaire négative). En 1932, Chadwick met en évidence l'existence du neutron, particule très semblable au proton, hormis le fait qu'il ne possède pas de charge électrique (d'où son nom). À la même époque, Heisenberg propose que le noyau atomique est en fait constitué d'un ensemble de protons et de neutrons.

Applications de la physique nucléaire

Astrophysique

La nucléosynthèse explique la fabrication dans l’Univers des divers noyaux qui le constituent actuellement. Deux processus bien distincts sont cependant nécessaires pour expliquer l'abondance des différents éléments chimiques dans l'univers :

• Dans une première phase, lors du Big Bang, sont formés à partir de l'hydrogène, les noyaux de ²H (deutérium), ³He, ⁴He et ⁷Li. Aucun élément plus lourd n'est synthétisé, car cette phase est relativement courte. Or, pour former des éléments plus lourds que le lithium, il est nécessaire d'avoir recours à une réaction faisant intervenir trois noyaux d'hélium, dite réaction triple alpha. Ce type de réaction est extrêmement difficile à réaliser et ne peut se faire que sur des périodes beaucoup plus longues que les quelques minutes de la nucléosynthèse primordiale.
• La suite de la nucléosynthèse se produit ainsi au cœur des étoiles. On parle alors de nucléosynthèse stellaire. Celle-ci se scinde d'ailleurs en deux procédés : la nucléosynthèse lente, ayant lieu dans les étoiles, qui permet de synthétiser les éléments plus légers que le fer, puis la nucléosynthèse explosive, produite uniquement lors des explosions d'étoiles, appelées supernovae. On parle alors de nucléosynthèse explosive.

Archéologie

Médecine

La médecine nucléaire repose sur l'utilisation de sources radioactives et de l'interaction de ces sources avec les tissus humains. Cette interaction est exploitée à des fins de diagnostic (radiologie par exemple) ou de traitement (radiothérapie). À partir des années 1980 se sont développées les techniques d’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) qui font appel aux propriétés magnétiques des noyaux.

Production d'énergie

La production d'énergie nucléaire peut avoir deux origines : la fission d'un noyau lourd (famille des actinides comme l'uranium) ou la fusion de noyaux légers (de type deutérium, tritium).

La production d'énergie peut être :

• brève et intense : c'est le principe d'une bombe nucléaire,
• contrôlée (à des fins de production civile mais aussi militaire).

Production d'énergie contrôlée

Actuellement, les industriels ne peuvent exploiter que l'énergie qui provient de la fission des noyaux lourds. L'énergie est ensuite utilisée :

• soit pour produire de l'électricité, c'est le cas des centrales nucléaires
• soit pour permettre de mouvoir un véhicule, particulièrement dans le domaine maritime (porte-avions, sous-marins à propulsion nucléaire) et de l'aérospatiale .

L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise est l'objet du projet international ITER.

Application militaire (bombe nucléaire)

Agro-alimentaire : stérilisation des aliments

voir le document [1]

Analyse par activation

Le principe est d'irradier, sous flux neutronique, un object dans le but de créer des produits d'activations qui sont des radio-isotopes formés à partir des éléments présents dans la matrice à analyser. Chaque radioisotope émet des raies X/gamma qui lui sont caractéristiques.

Contrôle non destructif

Même principe que la radiologie utilisée en médecine mais les sources de rayonnement sont plus intenses et ont un spectre plus "dur" du fait des épaisseurs et de la nature de la matière (acier,...) à traverser.