Noyau atomique - Atomic nucleus

Un modèle du noyau atomique le montrant comme un faisceau compact des deux types de nucléons : les protons (rouge) et les neutrons (bleu). Dans ce diagramme, les protons et les neutrons ressemblent à de petites boules collées ensemble, mais un noyau réel (tel que compris par la physique nucléaire moderne ) ne peut pas être expliqué ainsi, mais uniquement en utilisant la mécanique quantique . Dans un noyau qui occupe un certain niveau d'énergie (par exemple, l' état fondamental ), on peut dire que chaque nucléon occupe une gamme d'emplacements.

Le noyau atomique est la petite région dense constituée de protons et de neutrons au centre d'un atome , découverte en 1911 par Ernest Rutherford sur la base de l' expérience sur la feuille d'or Geiger-Marsden de 1909 . Après la découverte du neutron en 1932, des modèles de noyau composé de protons et de neutrons ont été rapidement développés par Dmitri Ivanenko et Werner Heisenberg . Un atome est composé d'un noyau chargé positivement, entouré d'un nuage d' électrons chargés négativement , liés entre eux par une force électrostatique . La quasi-totalité de la masse d'un atome est située dans le noyau, avec une très faible contribution du nuage d'électrons . Les protons et les neutrons sont liés ensemble pour former un noyau par la force nucléaire .

Le diamètre du noyau est de l'ordre de 1,7566  fm (1,7566 × 10 −15  m ) pour l' hydrogène (le diamètre d'un seul proton) à environ11.7142  fm pour l' uranium . Ces dimensions sont beaucoup plus petites que le diamètre de l'atome lui-même (noyau + nuage d'électrons), d'un facteur d'environ 26 634 (le rayon atomique de l'uranium est d'environ156  h (156 × 10 −12  m )) à environ 60 250 ( le rayon atomique de l'hydrogène est d'environ52.92  h ).

La branche de la physique concernée par l'étude et la compréhension du noyau atomique, y compris sa composition et les forces qui le lient, est appelée physique nucléaire .

introduction

Histoire

Le noyau a été découvert en 1911, à la suite des efforts d' Ernest Rutherford pour tester le « modèle de pudding de prune » de Thomson de l'atome. L'électron avait déjà été découvert par JJ Thomson . Sachant que les atomes sont électriquement neutres, JJThomson a postulé qu'il doit également y avoir une charge positive. Dans son modèle de pudding aux prunes, Thomson a suggéré qu'un atome était constitué d'électrons négatifs dispersés au hasard dans une sphère de charge positive. Ernest Rutherford a ensuite conçu une expérience avec son partenaire de recherche Hans Geiger et avec l'aide d' Ernest Marsden , qui impliquait la déviation de particules alpha (noyaux d'hélium) dirigées vers une fine feuille de métal. Il a estimé que si le modèle de JJ Thomson était correct, les particules alpha chargées positivement traverseraient facilement la feuille avec très peu de déviation dans leurs trajectoires, car la feuille devrait agir comme électriquement neutre si les charges négatives et positives sont si intimement mélangées qu'elles il semble neutre. À sa grande surprise, de nombreuses particules ont été déviées à de très grands angles. Parce que la masse d'une particule alpha est environ 8000 fois celle d'un électron, il est devenu évident qu'une force très forte doit être présente si elle peut dévier les particules alpha massives et se déplaçant rapidement. Il s'est rendu compte que le modèle du plum pudding ne pouvait pas être précis et que les déflexions des particules alpha ne pouvaient s'expliquer que si les charges positives et négatives étaient séparées les unes des autres et que la masse de l'atome était un point concentré de charge positive. Cela justifiait l'idée d'un atome nucléaire avec un centre dense de charge positive et de masse.

Étymologie

Le terme noyau vient du mot latin nucleus , un diminutif de nux (« noix »), signifiant « le noyau » (c'est-à-dire la « petite noix ») à l'intérieur d'un type de fruit aqueux (comme une pêche ). En 1844, Michael Faraday a utilisé le terme pour désigner le "point central d'un atome". Le sens atomique moderne a été proposé par Ernest Rutherford en 1912. L'adoption du terme "noyau" à la théorie atomique, cependant, n'a pas été immédiate. En 1916, par exemple, Gilbert N. Lewis affirmait, dans son célèbre article The Atom and the Molecule , que « l'atome est composé du noyau et d'un atome ou coquille externe ».

Maquillage nucléaire

Une représentation figurative de l' atome d' hélium -4 avec le nuage d'électrons en nuances de gris. Dans le noyau, les deux protons et deux neutrons sont représentés en rouge et en bleu. Cette représentation montre les particules comme séparées, alors que dans un atome d'hélium réel, les protons sont superposés dans l'espace et se trouvent très probablement au centre même du noyau, et il en va de même pour les deux neutrons. Ainsi, les quatre particules se trouvent très probablement exactement dans le même espace, au point central. Les images classiques de particules séparées ne parviennent pas à modéliser les distributions de charges connues dans de très petits noyaux. Une image plus précise est que la distribution spatiale des nucléons dans un noyau d'hélium est beaucoup plus proche du nuage d'électrons d' hélium montré ici, bien qu'à une échelle beaucoup plus petite, que de l'image fantaisiste du noyau. L'atome d'hélium et son noyau sont tous deux à symétrie sphérique .

Le noyau d'un atome est constitué de neutrons et de protons, qui sont à leur tour la manifestation de particules plus élémentaires, appelées quarks , qui sont maintenues en association par la force nucléaire forte dans certaines combinaisons stables de hadrons , appelées baryons . La force nucléaire forte s'étend suffisamment loin de chaque baryon pour lier les neutrons et les protons ensemble contre la force électrique répulsive entre les protons chargés positivement. La force nucléaire forte a une portée très courte et tombe essentiellement à zéro juste au-delà du bord du noyau. L'action collective du noyau chargé positivement est de maintenir les électrons chargés électriquement négativement dans leurs orbites autour du noyau. La collection d'électrons chargés négativement en orbite autour du noyau présente une affinité pour certaines configurations et nombres d'électrons qui rendent leurs orbites stables. L' élément chimique représenté par un atome est déterminé par le nombre de protons dans le noyau ; l'atome neutre aura un nombre égal d'électrons en orbite autour de ce noyau. Les éléments chimiques individuels peuvent créer des configurations électroniques plus stables en se combinant pour partager leurs électrons. C'est ce partage d'électrons pour créer des orbites électroniques stables autour des noyaux qui nous apparaît comme la chimie de notre monde macro.

Les protons définissent toute la charge d'un noyau, et donc son identité chimique . Les neutrons sont électriquement neutres, mais contribuent à la masse d'un noyau à peu près dans la même mesure que les protons. Les neutrons peuvent expliquer le phénomène des isotopes (même numéro atomique avec une masse atomique différente). Le rôle principal des neutrons est de réduire la répulsion électrostatique à l'intérieur du noyau.

Composition et forme

Les protons et les neutrons sont des fermions , avec des valeurs différentes du nombre quantique d' isospin fort , de sorte que deux protons et deux neutrons peuvent partager la même fonction d'onde spatiale car ce ne sont pas des entités quantiques identiques. Ils sont parfois considérés comme deux états quantiques différents de la même particule, le nucléon . Deux fermions, tels que deux protons, ou deux neutrons, ou un proton + neutron (le deutéron) peuvent présenter un comportement bosonique lorsqu'ils deviennent faiblement liés par paires, qui ont un spin entier.

Dans le cas rare d'un hypernoyau , un troisième baryon appelé hypéron , contenant un ou plusieurs quarks étranges et/ou autre(s) quark(s) inhabituel(s), peut également partager la fonction d'onde. Cependant, ce type de noyau est extrêmement instable et ne se trouve pas sur Terre, sauf dans les expériences de physique des hautes énergies.

Le neutron a un noyau chargé positivement de rayon ≈ 0,3 fm entouré d'une charge négative compensatrice de rayon compris entre 0,3 fm et 2 fm. Le proton a une distribution de charge positive à décroissance approximativement exponentielle avec un rayon carré moyen d'environ 0,8 fm.

Les noyaux peuvent être sphériques, en forme de ballon de rugby (déformation allongée), en forme de disque (déformation aplatie), triaxial (une combinaison de déformation aplatie et allongée) ou en forme de poire.

Les forces

Les noyaux sont liés entre eux par la force résiduelle forte ( force nucléaire ). La force forte résiduelle est un résidu mineur de l' interaction forte qui lie les quarks entre eux pour former des protons et des neutrons. Cette force est beaucoup plus faible entre les neutrons et les protons car elle est majoritairement neutralisée à l'intérieur d'eux, de la même manière que les forces électromagnétiques entre atomes neutres (telles que les forces de van der Waals qui agissent entre deux atomes de gaz inerte) sont beaucoup plus faibles que les forces électromagnétiques qui maintiennent les parties des atomes ensemble à l'intérieur (par exemple, les forces qui retiennent les électrons dans un atome de gaz inerte lié à son noyau).

La force nucléaire est très attractive à la distance de séparation typique des nucléons, ce qui dépasse la répulsion entre les protons due à la force électromagnétique, permettant ainsi aux noyaux d'exister. Cependant, la force résiduelle forte a une portée limitée car elle décroît rapidement avec la distance (voir Potentiel Yukawa ); ainsi, seuls les noyaux plus petits qu'une certaine taille peuvent être complètement stables. Le plus grand noyau complètement stable connu (c'est-à-dire stable à la désintégration alpha, bêta et gamma ) est le plomb-208 qui contient un total de 208 nucléons (126 neutrons et 82 protons). Les noyaux plus grands que ce maximum sont instables et ont tendance à avoir une durée de vie de plus en plus courte avec un plus grand nombre de nucléons. Cependant, le bismuth-209 est également stable à la désintégration bêta et a la plus longue demi-vie à la désintégration alpha de tous les isotopes connus, estimée à un milliard de fois plus longtemps que l'âge de l'univers.

La force forte résiduelle est efficace sur une très courte portée (généralement seulement quelques femtomètres (fm) ; environ un ou deux diamètres de nucléons) et provoque une attraction entre n'importe quelle paire de nucléons. Par exemple, entre les protons et les neutrons pour former [NP] deutéron , et aussi entre les protons et les protons, et les neutrons et les neutrons.

Noyaux de halo et limites de portée de la force nucléaire

La limite absolue effective de la portée de la force nucléaire (également connue sous le nom de force forte résiduelle ) est représentée par des noyaux de halo tels que le lithium-11 ou le bore-14 , dans lesquels les dineutrons , ou d'autres collections de neutrons, orbitent à des distances d'environ10 fm (à peu près similaire aurayon de 8 fm du noyau d'uranium-238). Ces noyaux ne sont pas denses au maximum. Les noyaux de halo se forment aux bords extrêmes du diagramme des nucléides - la ligne d'égouttement des neutrons et la ligne d'égouttement des protons - et sont tous instables avec des demi-vies courtes, mesurées en millisecondes ; par exemple, le lithium-11 a une demi-vie de8,8 ms .

Les halos représentent en effet un état excité avec des nucléons dans une couche quantique externe qui a des niveaux d'énergie non remplis "en dessous" (à la fois en termes de rayon et d'énergie). Le halo peut être constitué soit de neutrons [NN, NNN] soit de protons [PP, PPP]. Les noyaux qui ont un seul halo de neutrons comprennent 11 Be et 19 C. Un halo à deux neutrons est présenté par 6 He, 11 Li, 17 B, 19 B et 22 C. Les noyaux de halo à deux neutrons se brisent en trois fragments, jamais deux, et sont appelés noyaux borroméens en raison de ce comportement (se référant à un système de trois anneaux imbriqués dans lequel la rupture d'un anneau libère les deux autres). Le 8 He et le 14 Be présentent tous deux un halo à quatre neutrons. Les noyaux qui ont un halo de protons comprennent 8 B et 26 P. Un halo à deux protons est présenté par 17 Ne et 27 S. Les halos de protons devraient être plus rares et instables que les exemples de neutrons, en raison des forces électromagnétiques répulsives du excès de proton(s).

Modèles nucléaires

Bien que le modèle standard de la physique soit largement considéré comme décrivant complètement la composition et le comportement du noyau, générer des prédictions à partir de la théorie est beaucoup plus difficile que pour la plupart des autres domaines de la physique des particules . Cela est dû à deux raisons :

  • En principe, la physique au sein d'un noyau peut être entièrement dérivée de la chromodynamique quantique (QCD). Dans la pratique cependant, les approches informatiques et mathématiques actuelles pour résoudre la CDQ dans les systèmes à basse énergie tels que les noyaux sont extrêmement limitées. Cela est dû à la transition de phase qui se produit entre la matière des quarks de haute énergie et la matière hadronique de basse énergie , ce qui rend les techniques perturbatives inutilisables, ce qui rend difficile la construction d'un modèle précis dérivé de la QCD des forces entre les nucléons . Les approches actuelles sont limitées soit à des modèles phénoménologiques tels que le potentiel Argonne v18 ou à la théorie de champ efficace chirale .
  • Même si la force nucléaire est bien contrainte, une quantité importante de puissance de calcul est nécessaire pour calculer avec précision les propriétés des noyaux ab initio . Les développements de la théorie à N corps ont rendu cela possible pour de nombreux noyaux de faible masse et relativement stables, mais de nouvelles améliorations de la puissance de calcul et des approches mathématiques sont nécessaires avant de pouvoir s'attaquer aux noyaux lourds ou très instables.

Historiquement, les expériences ont été comparées à des modèles relativement grossiers et nécessairement imparfaits. Aucun de ces modèles ne peut expliquer complètement les données expérimentales sur la structure nucléaire.

Le rayon nucléaire ( R ) est considéré comme l'une des grandeurs de base que tout modèle doit prédire. Pour les noyaux stables (pas les noyaux de halo ou d'autres noyaux déformés instables), le rayon nucléaire est à peu près proportionnel à la racine cubique du nombre de masse ( A ) du noyau, et en particulier dans les noyaux contenant de nombreux nucléons, car ils s'arrangent dans des configurations plus sphériques :

Le noyau stable a approximativement une densité constante et donc le rayon nucléaire R peut être approximé par la formule suivante,

A = nombre de masse atomique (le nombre de protons Z , plus le nombre de neutrons N ) et r 0  = 1,25 fm = 1,25 × 10 −15  m. Dans cette équation, la "constante" r 0 varie de 0,2 fm, selon le noyau en question, mais c'est moins de 20 % de changement par rapport à une constante.

En d'autres termes, l'emballage des protons et des neutrons dans le noyau donne approximativement le même résultat de taille totale que l'emballage de sphères dures de taille constante (comme des billes) dans un sac sphérique serré ou presque sphérique (certains noyaux stables ne sont pas tout à fait sphériques, mais sont connus être allongé ).

Les modèles de structure nucléaire comprennent :

Modèle de goutte liquide

Les premiers modèles du noyau considéraient le noyau comme une goutte liquide en rotation. Dans ce modèle, le compromis entre les forces électromagnétiques à longue portée et les forces nucléaires à relativement courte portée, provoquent ensemble un comportement qui ressemble aux forces de tension superficielle dans des gouttes liquides de différentes tailles. Cette formule réussit à expliquer de nombreux phénomènes importants des noyaux, tels que leurs quantités changeantes d' énergie de liaison à mesure que leur taille et leur composition changent (voir la formule de masse semi-empirique ), mais elle n'explique pas la stabilité particulière qui se produit lorsque les noyaux ont des " nombres magiques" de protons ou de neutrons.

Les termes de la formule de masse semi-empirique, qui peuvent être utilisés pour approximer l'énergie de liaison de nombreux noyaux, sont considérés comme la somme de cinq types d'énergies (voir ci-dessous). Ensuite, l'image d'un noyau sous la forme d'une goutte de liquide incompressible explique approximativement la variation observée de l'énergie de liaison du noyau :

Modèle de goutte liquide.svg

Énergie volumique . Lorsqu'un assemblage de nucléons de même taille est entassé dans le plus petit volume, chaque nucléon intérieur a un certain nombre d'autres nucléons en contact avec lui. Ainsi, cette énergie nucléaire est proportionnelle au volume.

Énergie surfacique . Un nucléon à la surface d'un noyau interagit avec moins d'autres nucléons qu'un à l'intérieur du noyau et donc son énergie de liaison est moindre. Ce terme d'énergie de surface en tient compte et est donc négatif et proportionnel à la surface.

Énergie coulombienne . La répulsion électrique entre chaque paire de protons dans un noyau contribue à diminuer son énergie de liaison.

Énergie d'asymétrie (également appelée énergie de Pauli ). Une énergie associée au principe d'exclusion de Pauli . Sans l'énergie coulombienne, la forme la plus stable de matière nucléaire aurait le même nombre de neutrons que de protons, car des nombres inégaux de neutrons et de protons impliquent de remplir des niveaux d'énergie plus élevés pour un type de particule, tout en laissant des niveaux d'énergie inférieurs vacants pour l'autre genre.

Énergie d'appariement . Une énergie qui est un terme de correction qui résulte de la tendance des paires de protons et des paires de neutrons à se produire. Un nombre pair de particules est plus stable qu'un nombre impair.

Modèles Shell et autres modèles quantiques

Un certain nombre de modèles pour le noyau ont également été proposés dans lesquels les nucléons occupent des orbitales, un peu comme les orbitales atomiques dans la théorie de la physique atomique . Ces modèles d'ondes imaginent que les nucléons sont soit des particules ponctuelles sans taille dans des puits de potentiel, soit des ondes de probabilité comme dans le « modèle optique », orbitant sans frottement à grande vitesse dans des puits de potentiel.

Dans les modèles ci-dessus, les nucléons peuvent occuper des orbitales par paires, du fait qu'ils sont des fermions, ce qui permet d'expliquer les effets Z et N pairs/impairs bien connus des expériences. La nature et la capacité exactes des couches nucléaires diffèrent de celles des électrons dans les orbitales atomiques, principalement parce que le puits de potentiel dans lequel les nucléons se déplacent (en particulier dans les noyaux plus gros) est assez différent du puits de potentiel électromagnétique central qui lie les électrons dans les atomes. Une certaine ressemblance avec les modèles orbitaux atomiques peut être observée dans un petit noyau atomique comme celui de l' hélium-4 , dans lequel les deux protons et deux neutrons occupent séparément des orbitales 1s analogues à l'orbitale 1s pour les deux électrons de l'atome d'hélium, et réalisent des résultats inhabituels. stabilité pour la même raison. Les noyaux avec 5 nucléons sont tous extrêmement instables et de courte durée, pourtant, l' hélium-3 , avec 3 nucléons, est très stable même en l'absence d'une coquille orbitale 1s fermée. Un autre noyau avec 3 nucléons, le triton hydrogène-3 est instable et se désintégrera en hélium-3 une fois isolé. Une faible stabilité nucléaire avec 2 nucléons {NP} dans l'orbitale 1s se trouve dans le deutéron hydrogène-2 , avec un seul nucléon dans chacun des puits de potentiel proton et neutrons. Alors que chaque nucléon est un fermion, le deutéron {NP} est un boson et ne suit donc pas l'exclusion de Pauli pour l'emballage serré dans les coquilles. Le lithium-6 avec 6 nucléons est très stable sans une seconde orbitale fermée 1p. Pour les noyaux légers avec des nombres totaux de nucléons de 1 à 6, seuls ceux avec 5 ne montrent aucune preuve de stabilité. Les observations de la bêta-stabilité des noyaux légers à l'extérieur des coquilles fermées indiquent que la stabilité nucléaire est beaucoup plus complexe que la simple fermeture des orbitales des coquilles avec des nombres magiques de protons et de neutrons.

Pour les noyaux plus gros, les coquilles occupées par les nucléons commencent à différer considérablement des coquilles d'électrons, mais néanmoins, la théorie nucléaire actuelle prédit les nombres magiques de coquilles nucléaires remplies pour les protons et les neutrons. La fermeture des enveloppes stables prédit des configurations exceptionnellement stables, analogues au groupe noble des gaz presque inertes en chimie. Un exemple est la stabilité de la coquille fermée de 50 protons, qui permet à l' étain d'avoir 10 isotopes stables, plus que tout autre élément. De même, la distance de la fermeture de la coquille explique l'instabilité inhabituelle des isotopes qui ont des nombres loin d'être stables de ces particules, tels que les éléments radioactifs 43 ( technétium ) et 61 ( prométhium ), dont chacun est précédé et suivi de 17 ou plus éléments stables.

Il y a cependant des problèmes avec le modèle de coque lorsqu'on essaie de tenir compte des propriétés nucléaires loin des coques fermées. Cela a conduit à des distorsions post hoc complexes de la forme du puits de potentiel pour s'adapter aux données expérimentales, mais la question demeure de savoir si ces manipulations mathématiques correspondent réellement aux déformations spatiales dans les noyaux réels. Des problèmes avec le modèle de coque ont conduit certains à proposer des effets de force nucléaire à deux et trois corps réalistes impliquant des amas de nucléons, puis à construire le noyau sur cette base. Trois de ces modèles de cluster sont le modèle 1936 Resonating Group Structure de John Wheeler, Close-Packed Spheron Model de Linus Pauling et le 2D Ising Model de MacGregor.

Cohérence entre les modèles

Comme dans le cas de l' hélium liquide superfluide , les noyaux atomiques sont un exemple d'état dans lequel (1) des règles physiques de particules "ordinaires" pour le volume et (2) des règles de mécanique quantique non intuitives pour une nature ondulatoire s'appliquent. Dans l'hélium superfluide, les atomes d'hélium ont du volume et se "touchent" essentiellement les uns les autres, tout en présentant d'étranges propriétés en vrac, compatibles avec une condensation de Bose-Einstein . Les nucléons des noyaux atomiques présentent également une nature ondulatoire et manquent de propriétés fluides standard, telles que la friction. Pour les noyaux constitués de hadrons qui sont des fermions , la condensation de Bose-Einstein ne se produit pas, mais néanmoins, de nombreuses propriétés nucléaires ne peuvent être expliquées de la même manière que par une combinaison de propriétés de particules avec le volume, en plus du mouvement sans friction caractéristique de la forme ondulatoire comportement des objets piégés dans Erwin Schrödinger de orbitals quantique .

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes