La
physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le
Noyau atomique en tant que tel (élaboration d'un modèle théorique) mais aussi la façon dont il interagit lorsqu'une particule arrive "à proximité" (l'ordre de grandeur est 1E-12 cm, on parle couramment en physique nucléaire de
Section efficace dont l'unité est le
Barn soit 1E-24 cm²) du noyau (obtention de résultats expérimentaux). Après un bref rappel historique, cet article se consacre à décrire :
- la Structure nucléaire, qui vise à comprendre comment les nucléons (protons et neutrons) interagissent pour former le noyau.
- les mécanismes des réactions nucléaires dont le but est de décrire les différentes façons qu'ont les noyaux d'interagir : fission, fusion, diffusion (élastique, inélastique), Radioactivité...
- les domaines d'applications de la physique nucléaire : de la Médecine à l'Astrophysique, en passant par la production d'énergie, tous ces domaines d'activité exploitent la physique des interactions rayonnement-matières.
- les organismes de recherche en physique nucléaire, en France et dans le monde.
Introduction
La matière est constituée de
molécules, elles-mêmes constituées d'
atomes. Ces atomes sont formés d'un
noyau central entouré par un nuage électronique. La physique nucléaire est la science qui s'intéresse à l'ensemble des phénomènes physiques faisant intervenir le noyau atomique. En raison de la taille microscopique de celui-ci, les outils mathématiques utilisés s'inscrivent essentiellement dans le cadre du formalisme de la
Mécanique quantique.
Le Noyau atomique est constitué de nucléons, qui se répartissent en protons et en neutrons. Les protons sont des particules qui possèdent une Charge électrique élémentaire positive, alors que les neutrons sont des particules neutres. Ils n'ont qu'un moment magnétique, et ne sont donc que peu sensibles au champ électromagnétique, contrairement aux protons. Si l'on assimilait le noyau atomique à une sphère dure, le rayon de cette sphère serait de quelques fermis, 1 fermi valant 10-15 mètres (1 fermi = 1 femtomètre). Les noyaux possédant la même valeur de Z, c'est-à-dire le même nombre de protons, et n'ayant pas le le même nombre de neutrons sont appelés isotopes.
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 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 période, Heisenberg propose que le noyau atomique est en fait constitué d'un ensemble de protons et de neutrons.
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.
Article détaillé : .
Les réactions nucléaires
Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de l'état quantique d'un ou plusieurs noyaux. Participent alors à la réaction protons et neutrons (notés respectivement
p et
n), mais également d'autres particules, tels les électrons e, les positons e
+...
Les réactions nucléaires peuvent être de plusieurs types. Pour ne citer que les plus importantes :
- la fission : un noyau lourd se brise en plusieurs fragments. C'est ce type de réaction qui est mis en oeuvre dans les bombes atomiques de type A, et, dans un but plus pacifique, dans les centrales nucléaires.
- la fusion : plusieurs noyaux légers fusionnent. C'est le mode de production d'énergie des étoiles. La fusion nucléaire est à la source de la Nucléosynthèse qui permet d'expliquer la genèse de tous les éléments du tableau périodique de Mendeleïev et de leurs isotopes. C'est également le type de réaction qui est utilisé dans les bombes dites à hydrogène. 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.
- la Radioactivité : un noyau émet une ou plusieurs particules spontanément. On distingue les radioactivités α, où un noyau d'hélium est émis; la radioactivité β où sont émis soit un électron et un anti-neutrino électronique ( β ), soit un Positron et un Neutrino électronique ( β + ) et la radioactivité γ par laquelle un noyau perd son énergie par un rayonnement électromagnétique de haute énergie.
- réactions de knock-out ou spallation : des particules légères (neutrons par exemple) sont envoyées sur un noyau cible et expulsent un ou plusieurs nucléons de ce noyau.
- réactions de diffusion (élastique ou inélastique) : des particules légères ou des noyaux, qui constituent le projectile, sont envoyés sur un noyau cible mais de façon à éviter une collision frontale. Le projectile est dévié par la cible mais a modifié l'état de cette dernière. Dans le cas d'une Diffusion élastique, l'énergie de la cible n'est pas modifiée, au contraire d'une diffusion inélastique.
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 période beaucoup plus longues que les quelques minutes de la nucléosynthèse primordiale.
- La suite de la nucléosynthèse se produit ainsi au coeur 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.
Article détaillé : . Article détaillé : .Archéologie
Article détaillé : .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.
Article détaillé : . Article détaillé : .Production d'énergie
La production d'énergie nucléaire peut avoir deux origines : la
fission d'un noyaux lourd (famille des actinides comme l'uranium) ou la
Fusion de noyaux légers (de type
Deutérium,
Tritium).
La production d'énergie peut être :
- brêve 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 savent 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 Article détaillé : .
- soit pour permettre de mouvoir un véhicule, particulièrement dans le domaine maritime (porte-avions, sous-marins à propulsion nucléaire) et de l'aérospatiale Article détaillé : ..
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)
Article détaillé : . Article détaillé : .Organismes de recherche en Physique Nucléaire
En France
- Commissariat à l'Energie Atomique (CEA)
- Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL, Caen)
- Institut de Physique Nucléaire (IPN, Orsay)
- Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, Orsay)
- Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse (CSNSM, Orsay)
- Imagerie et modélisation en neurobiologie et cancérologie (IMNC, Orsay)
- SOLEIL synchrotron (Saclay)
- European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble)
- Institut Laue Langevin (ILL, Grenoble)
- Laboratoire Léon Brillouin (LLB, Orsay)
- Laboratoire National Henri Bequerel (Saclay)
- Centre d’études nucléaires (CENBG, Bordeaux Gradignan)
- Institut de physique nucléaire (IPN, Villeurbanne)
- Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC Caen, Clermont-Ferrand)
- Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, Strasbourg)
- Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, Paris Jussieu)
En Europe
Dans le monde
- Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
- Los Alamos National Laboratory (LANL)
- Argonne National Laboratory (ANL)
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
Bibliographie
Ouvrages de vulgarisation
- James M. Cork ; Radioactivité & physique nucléaire, Dunod (1949).
Ouvrages d'initiation
- Luc Valentin, Le monde subatomique
- Luc Valentin ; Noyaux et particules - Modèles et symétries, Hermann (1997).
- David Halliday ; Introduction à la physique nucléaire, Dunod (1957).
Ouvrages de physique fondamentale
- Irving Kaplan ; Nuclear physics, the Addison-Wesley Series in Nuclear Science & Engineering, Addison-Wesley (1956).
- A. Bohr & B. Mottelson ; Nuclear Structure, 2 vol., Benjamin (1969-1975). Volume 1 : Single Particle Motion ; Volume 2 : Nuclear Deformations. Réédité par World Scientific Publishing Company (1998), ISBN 9810231970.
- P. Ring & P. Schuck; The nuclear many-body problem, Springer Verlag (1980), ISBN 354021206X
- A. de Shalit & H. Feshbach; Theoretical Nuclear Physics, 2 vol., John Wiley & Sons (1974). Volume 1 : Nuclear Structure; Volume 2 : Nuclear Reactions, ISBN 0471203858