NOTIONS CONCERNANT LE NOYAU ATOMIQUE

Notions concernant le noyau atomique

HypothÈse de la structure protonique et neutronique du noyau atomique

Nous avons déjà vu que la masse de l'atome est concentrée presque en totalité dans le noyau atomique. Pour exprimer la masse des noyaux atomiques on utilise une unité de mesure spécifique, nommée unité atomique de masse. Une unité atomique de masse (1 u.a.m.) est numériquement égale à la douziÈme partie de la masse du noyau de l'isotope ¹²C. La masse atomique relative est le rapport entre la masse d'un atome ou noyau et l'unité atomique de masse.

Pour la plupart des éléments chimiques, les masses atomiques relatives ont de valeurs presque entiÈres. Cette propriété a suggéré l'hypothÈse que le noyau atomique possÈde une structure intérieure, étant formé par un certain nombre de particules de masses égales. Le plus simple noyau est celui de l'atome d hydrogÈne, raison pour laquelle il porte le nom de proton (du grec 'protos' qui signifie 'le premier'). La masse du proton est égale à environ l'unité atomique de masse

m_p = 1,00759 uam

mais beaucoup plus grande que la masse de l'électron

m_p = 1836,12 m_e

La charge du proton est égale en module avec la charge de l'électron, mais elle est positive

q = 1,6 10^-19 C

On pourrait faire l'hypothÈse que les noyaux atomiques sont composés par un certain nombre de protons. Dans ce cas, puisque l'atome est électriquement neutre, le nombre de protons devrait Être égal au nombre d'électrons. Comme le nombre de protons devrait Être pratiquement égal avec la masse atomique relative, et comme le nombre d'électrons est égal au nombre atomique Z, il résulte que la masse atomique devrait égaler le nombre atomique. En fait, pour la plupart des atomes, le nombre atomique représente seulement environ la moitié de la masse atomique relative. Il y en résulte que les protons ne peuvent pas Être les seules composantes du noyau, étant nécessaire la présence, prÈs d'eux, des certaines particules neutres, ayant des masses comparables avec celles des protons. Ce type de particule a été nommé neutron. Les études ultérieures ont permis l'identification des neutrons et la détermination de leur masse de repos

m_n = 1,00898 uam

Initialement une hypothÈse, l'idée de la structure protonique et neutronique du noyau atomique est considérée aujourd'hui une certitude, car elle a été entiÈrement confirmée par expérience.

Notant par A le nombre entier le plus proche de la masse atomique relative, et le nommant nombre atomique de masse, on peut écrire

A = Z + N

oÙ Z est le nombre d'électrons ou de protons (égal au nombre atomique de l'élement chimique) et N est le nombre de neutrons.

Le nombre de masse A et le nombre atomique Z sont utilisés pour l'identification de l'élément chimique. La notation usuelle pour un certain élément X est

^AX_Z

Ainsi, l'hydrogÈne est symbolisé comme ¹H₁, l'oxygÈne comme ¹⁶O₈, etc

L'hypothÈse de la structure protonique et neutronique du noyau atomique a permis une explication facile de l'existence des isotopes et isobares. Les isotopes sont des éléments chimiques avec des propriétés chimiques pareilles (donc qui occupent la mÊme cellule dans le systÈme périodique de Mendéléev), mais qui ont des masses atomiques différentes. Exemples d'isotopes peuvent Être: ¹²C₆ et ¹⁴C₆. Les isobares sont des éléments chimiques différents qui ont des masses atomiques égales (¹⁴C₆ et ¹⁴N₇). Conformément à l'hypothÈse de la structure protonique et neutronique du noyau, les isotopes sont des noyaux qui contiennent le mÊme nombre de protons (de cela résultant les propriétés chimiques pareilles), mais un nombre différent de neutrons. Les isobares représentent des noyaux qui contiennent le mÊme nombre total de nucleons (neutrons ou protons), mais nombres différents de protons.

Radioactivité, loi de désintégration radioactive, lois de déplacement

Le phénomÈne de radioactivité a été découvert à la fin du dernier siÈcle et consiste de l'émission des rayonnements, associée à la transmutation des certains éléments chimiques en autres éléments chimiques

Les observations expérimentales montrent que le nombre des atomes qui subissent des désintégrations radioactives est proportionnel avec le nombre des atomes non-désintégrés et avec l'intervalle de temps considéré

oÙ l est une constante qui caractérise la matiÈre radioactive, nommée constante de désintégration radioactive. Cette loi porte le nom de loi de désintégration radioactive, la forme différentielle. Le taux de désintégration

s'appelle aussi activité. Dans le SystÈme International, l'unite de mesure de l'activité s'appelle becquerel

D'habitude, on utilise une unité tolérée, nommée curie, existant la relation

1 Ci = 3,7 10¹⁰ Bq

On peut encore écrire la loi de désintégration radioactive sous la forme

avec l'énoncé: l'activité d'une substance radioactive est proportionnelle avec le nombre des atomes non-désitégrés. Séparant les variables, on peut aussi écrire

Par l'intégration de cette relation, on obtient

ou

c'est-à-dire le nombre des atomes non-désintégrés décroit avec le temps suivant une loi exponentielle. Celle-ci est la forme intégrale de la loi de désintégration radioactive. Puisque l'activité de la substance est proportionnelle avec le nombre de noyaux non-désintégrés, on peut écrire aussi

Le temps nécessaire pour que l'activité d'une matiÈre radioactive se réduise à moitié s'appelle période de désintégration, étant noté par T_1/2. Le temps aprÈs lequel l'activité se diminue e fois s'appelle période de vie, étant symbolisé par T. On peut écrire

Par suite, la loi de la désintégration radioactive peut Être mise sous une des formes suivantes

La période de désintégration des éléments radioactifs a des valeurs extrÊmement variées, de 1,5 10^-4s pour ²¹⁸Po₈₄ à 4,5 10⁹ pour ²³⁸U₉₂.

La loi de désintégration radioactive a du caractÈre statistique, car elle ne prévoit quel atome désintégrera jusqu'à un instant donné, mais seulement la probabilité que l'atome désintégrait.

Les premiers types de rayonnements nucléaires qui ont été découverts ont reçu le les noms de rayonnement alpha, rayonnement bÊta et rayonnement gamma. Leur étude a permis l'identification des propriétés suivantes:

le rayonnement alpha est constitué par des particules électriquement chargées avec la charge positive q = 2½e½, ayant une masse d'environ 4 uam. La notation employée pour identifier les particules alpha est: ⁴a . Aujourd'hui, on sait que les particules alpha sont en fait des noyaux d'hélium

a = ⁴He₂

le rayonnement bÊta est constitué par des particules électriquement chargées avec de la charge positive ou négative q = ½e½. La masse de ces particules est beaucoup plus petite que celle des particules alpha. La notation employée pour identifier les particules bÊta est: ⁰b . Aujourd'hui, on sait que les particules bÊta sont en fait des electrons sau positrons (l'antiparticule de l'électron)

b = ⁰e_-1

les rayonnements bÊta sont constitués par des photons d'haute énergie. Ils n'ont pas de la charge électrique et leur masse est négligeable. On considÈre qu'ils sont émis par la désexcitation énergétique des noyaux trouvés en états instables. La notation employée pour identifier les particules gamma est ⁰g

Comme déjà mentionné, la désintégration radioactive est accompagnée par le phénomÈne de transmutation, c'est-à-dire par la modification de la nature chimique de l'élément désintégré. Les transmutations associées aux désintégrations alpha, bÊta et gamma obéissent à un groupe de lois, nommées les lois de déplacement, qui s'énoncent comme il suit:

Þ          Loi de la désintégration alpha: par la désintégration alpha, le noyau d'un élément donné se transforme dans le noyau de l'élément placé de deux numéros à gauche dans le tableau de Mendéléev, et sa masse atomique décroit avec quatre unités

^AX_Z ^{A - 4}Y_{Z - 2}

Þ          Loi de la désintégration b ta: par la désintégration bÊta positive, le noyau d'un élément donné se transforme dans le noyau de l'élément placé d'un numéro à gauche dans le tableau de Mendéléev. Par par la désintégration bÊta négative, il transmute dans un élément placé d'un numéro à droite. Dans tous les deux cas, la masse atomique ne varie pas

^AX_Z ^AY_Z

Þ          Loi de la désintégration gamma: la désintégration gamma ne change pas ni de charge, ni de masse du noyau, mais change son énergie interne.

Il est trÈs facile de comprendre les lois de déplacement dans la lumiÈre de l'hypothÈse de la structure protonique et neutronique du noyau. Si on accepte que la particule alpha transporte deux protons et deux neutrons, alors la conservation du nombre de nucléons implique la relation

démontrant ainsi la loi de la désintégration alpha.

Pour justifier la désintégration bÊta on a formulé une hypothÈse, ultérieurement confirmée, selon laquelle le neutron peut se transformer en proton par l'émission d un électron ou que le proton peut changer en neutron par l'émission d'un positron. Ainsi, on peut écrire

Dans le premier cas, par la transformation du neutron en proton, l'électron est expulsé du noyau sous la forme du rayonnement bÊta négatif. Dans le deuxiÈme cas, la particule expulsée est le positron. Par la modification du nombre de protons du noyau, il se produit la transmutation de l'élément radioactif.

Des exemples de désintégrations alpha ou bÊta rencontrées dans la nature sont

Il y a des éléments radioactifs à période de désintégration trÈs longue qui, par désintégrations répétées alpha ou bÊta, engendrent une série de descendants à période de désintégration courte et finissent par former un élément stable qui achÈve la famille radioactive. On connait à ce moment trois familles radioactives naturelles. L'une d'elles est la famille de ²³⁸U₉₂, qui, aprÈs huit désintégrations alpha et six désintégrations bÊta, engendre l'élément stable ²⁰⁶Pb₈₂.

Réactions nucléaires

Le plus souvent, les réactions nucléaires ont lieu à la suite de l'interaction d'un noyau (nommé noyau-cible) avec une particule plus petite (nommée particule-projectile), propulsée vers lui. Il y a tant de réactions nucléaires naturelles qu'artificielles.

La formule générale d'une réaction nucléaire est

a + X b + Y

oÙ a est la particule-projectile, X est le noyau-cible, et la particule b et le noyau Y sont les produits de réaction.

Il y a certaines lois de conservation valables au cours d'une réaction nucléaire:

Þ          conservation du nombre de nucléons

A_X + A_a = A_Y + A_b

Þ          conservation de la charge électrique

Z_X + Z_a = Z_Y + Z_b

Þ          conservation de l'énergie

m_X c² + m_a c² = m_Y c² + m_b c²

Þ          conservation de l'impulsion

m_X v_X + m_a v_a = m_Y v_Y + m_b v_b

On peut utiliser les réactions nucléaires pour obtenir des isotopes artificiels, qui ont de nombreuses applications pratiques. Par exemple, le phosphore radioactif est obtenu selon la réaction

Le phosphore radioactif se désintÈgre, avec la période de désintégration de 2,5 minutes, d'aprÈs la réaction

Un autre cas de réaction nucléaire à utilisation pratique est celui employé dans le fonctionnement des réacteurs nucléaires. Dans cette réaction, un neutron provoque la fission de l'uranium, selon l'équation

Les trois neutrons délivrés peuvent amorcer des autres fissions, entretenant aussi la réaction. La chaleur dégagée est utilisée pour générer d'énergie électrique.

Forces nucléaires, défaut de masse, modÈles nucléaires

La mesure des masses des noyaux atomiques a mis en évidence un aspect difficile à prévoir: la masse de repos du noyau est plus petite que la somme entre les masses de repos de ces composantes

La différence

s'appelle défaut de masse et dépend de l'espÈce du noyau considéré.

Conformément à la relation masse-énergie d'Einstein, on peut considérer le défaut de masse comme une mesure de l'énergie délivrée à la formation du noyau des nucléons individuels, selon la formule

Autrement dit, le défaut de masse est une mesure de l'énergie de liaison du noyau.

En divisant l'énergie de liaison au nombre de nucléons on obtient une grandeur nommée l'énergie moyenne de liaison per nucléon

La valeur de l'énergie moyenne de liaison per nucléon offre un indice à l'égard la stabilité du noyau (plus que l'énergie moyenne de liaison per nucléon est grande, plus le noyau est stable). Les plus stables noyaux sont l'hélium (w = 7 MeV) et le fer ou le nickel (w = 9 MeV). Moins stables sont les noyaux légers (pour le deutérium w = 1,09 MeV) ou les noyaux lourds (pour l'uranium w = 7,6 MeV).

A la raison de la valeur de l'énergie moyenne de liaison per nucléon on peut expliquer l'apparition des réactions de fusion nucléaire (par lesquelles deux noyaux légers s'unissent pour former un plus lourd, procÈs accompagné par la délivrance d'énergie) ou à celles de fission (le procÈs inverse, par lequel un noyau lourd se scinde en deux noyaux légers, avec la délivrance d'énergie).

L'étude des valeurs de l'énergie moyenne de liaison per nucléon montre que les noyaux isobares ont des énergies de liaison presque égales. Ce fait démontre que les forces de liaison qui contribuent à la formation du noyau dépensent, en approchant deux nucléons, des quantités égales de travail, sans égard pour leurs espÈces. Il résulte de la que les forces d'interaction entre les nucléons ne dépendent pas de leurs charges électriques. Outre cette qualité, les forces nucléaires doivent obéir aussi aux conditions suivantes:

Þ          qu'elles soient des forces d'attraction

Þ          qu'elles soient supérieures aux forces électrostatiques aux distances comparables avec le diamÈtre du noyau atomique (dans le cas contraire, par l'action des forces de répulsion électrostatique entre les protons, le noyau se dissociait)

Þ          qu'elles soient négligeables par comparaison aux forces électrostatiques aux distances de l'ordre de grandeur du diamÈtre de l'atome (dans le cas contraire, les noyaux des atomes voisins uniraient)

Ce type de force d'attraction, à court rayon d'action, représente la troisiÈme force fondamentale, à côté de la force gravitationnelle et la force électrique.

Les forces nucléaires ne sont connues assez bien pour édifier un modÈle précis de la structure du noyau atomique. C'est pourquoi, en partant des observations expérimentales, ont été imaginé plusiers modÈles nucléaires. On va mentionner les plus connus: le modÈle en goutte, le modÈle en couches et le modÈle mixte.

Le modÈle en goutte est basé sur l'observation que le rayon du noyau à nombre de masse A peut Être exprimé avec bonne approximation comme

Il résulte de cela que la densité de la matiÈre nucléaire est environ la mÊme pour tous les noyaux. La situation semble à celle d'une goutte de liquide, et les forces nucléaires peuvent Être assimilées aux forces de cohésion entre les molécules du liquide. La stabilité du noyau s'explique par les forces avec lesquelles les nucléons situés à la surface de la goutte nucléaire agissent sur les nucléons intérieurs (similaire à la pression interne dans un liquide).

Le modÈle en goutte a été utilise avec des résultats satisfaisants pour expliquer la fission nucléaire, conçue comme la fragmentation d'une goutte de liquide par conséquent d'une action extérieure.

Le modÈle en couches est construit par analogie avec la modalité de distribution des électrons en couches à l'intérieur de l'atome. L'indication expérimentale qui est à l'origine de ce modÈle est le fait qu'il y a certains noyaux plus stables que leurs voisins (de la mÊme façon que les éléments chimiques de la VIII-iÈme groupe, qui ont seulement des couches électroniques complÈtes, sont beaucoup plus stables que les autres). ParticuliÈrement stables sont les noyaux qui contiennent des nombres paires de protons et neutrons, comme: ⁴He₂, ¹⁶O₈, ⁴⁰Ca₂₀, ²⁰⁸Pb₈₂. Les conséquences théoriques du modÈle en couches sont mieux vérifiées pour les noyaux légers et pour ceux trouvés en état fondamental.

Le modÈle mixte ou collectif réunit les deux modÈles discutés auparavant, ainsi que dans l'état fondamental le noyau possÈde un comportement décrit par le modÈle en couches, et dans état fort excité il obéit au modÈle en goutte. Ce modÈle se remarque par cela qu'il donne des résultats satisfaisants quand on l'utilise pour expliquer les désintégrations alpha.