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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) et concentre quasiment toute sa masse.
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
nucléons extrêmement liés (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 prépondérante à l'échelle du 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 :
Article détaillé : .
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, Z est également le nombre d'électrons d'un élément.
Pour un même élément, il est possible d'obtenir différents nucléides correspondant à des nombres de neutrons différents. Les nucléides de même numéro atomique Z 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 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 AZX (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.
Masse atomique
La masse atomique isotopique d'un élément est la masse correspondant à
NA nucléides de ce même isotope,
NA étant le
Nombre d'Avogadro (environ 6,022 04×10
23).
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
Energie 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. Ou plus précisément, la transformation (spontanée) de la radioactivité se produit toujours selon une augmentation de l'énergie de liaison
moyenne des nucléons concernés.
Ces deux types de radioactivité sont la plupart du temps accompagné d'un
rayonnement gamma (émission de
photons).
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.
- 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 du nombre de nucléons qui le composent.
En effet, pour les noyaux dit légers (Z>20), il a été constaté une plus grande fréquence de noyaux stables (152) s'ils sont composés d'un nombre de proton (Z) et de neutron (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 noyaux d'Hélium, doublement magique, correspondant à la particule alpha émise par certain noyau.
Demie-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 résonnance) 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 | 10,05 ×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 a une demi-vie (théorique) d'environ 10
33 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). 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.
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 11 semble par exemple composé d'un noyau de lithium 9 (l'isotope le plus stable) entouré d'un nuage de deux neutrons ; sa taille est alors comparable à celle du Plomb 208 qui possède 20 fois plus de nucléons.
Le noyau stable le plus lourd est constitué de 92 protons: il s'agit de l'uranium. Des éléments radioactifs plus lourds ont été synthétisés en laboratoire. L'élément le plus lourd connu à ce jours possède 118 protons.
Notes et références
..
Voir aussi
Articles connexes
Bibliographie
- Luc Valentin, Le monde subatomique