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Les noyaux des atomes

Publié le 3 novembre 2016

La conception que se font les physiciens des noyaux des atomes et de la physique qui les gouverne a fortement évolué depuis le début du XXème siècle. On les classe sur un diagramme en fonction de leur nombre de protons et de neutrons appelé charte des noyaux. Dans ce diagramme, la « vallée de la stabilité » délimite la zone des noyaux existants.

A L’INTÉRIEUR DE L’ATOME

L’atome est le constituant de base de la matière. Dans le noyau de l’atome se trouvent les protons (chargés positivement) et les neutrons (non chargés), tandis que les électrons (chargés négativement) sont localisés autour du noyau.


Son nombre de protons ou numéro atomique est noté Z. L’atome étant neutre, il comporte autant d’électrons que de protons. Ainsi le numéro atomique détermine les propriétés chimiques de l’atome.
A chaque valeur de Z correspond un nom d’atome, un élément chimique. Ainsi l’hydrogène possède 1 proton, tandis que le carbone en possède 6. 

Le nombre de neutrons au sein du noyau est désigné N. Le nombre de masse A est la somme de Z+N. Pour un atome de Z donné, on peut compter plusieurs isotopes, en fonction du nombre de neutrons. 


Représentation symbolique des composants d'un atome

 L’aluminium possède 13 protons (Z=13) et son seul isotope stable possède 14 neutrons (A = 14+13 = 27) © Yuvanoé/CEA 


Des noyaux dans tous leurs états

Un noyau d’atome est dit :

  • lié lorsque la cohésion des protons et des neutrons est assurée. Plus leur énergie de cohésion est élevée, plus il faudra fournir d’énergie pour séparer les constituants du noyau. Les noyaux liés peuvent être stables ou instables.

  • stable lorsqu’il ne se désintègre pas spontanément en un autre noyau. La majorité des noyaux que l’on trouve sur Terre sont stables.

  • instable ou radioactif lorsqu’il tend à se transformer spontanément en un autre noyau. On appelle cette transformation « désintégration radioactive ». La probabilité que cet événement survienne dépend de sa période radioactive, qui correspond au temps au bout duquel la moitié d’un ensemble de noyaux de même nature s’est désintégrée. 

  • excité lorsque, stable ou instable, il a acquis un surplus d’énergie. Le noyau peut vibrer ou tourner sur lui même et /ou dissiper cette énergie excédentaire par émission d’une particule ou d’un photon.

Carte des noyaux

La carte des noyaux des atomes. © CEA



Des noyaux en forme

Dès les origines de la physique nucléaire, devant la complexité d'un système composé de N particules en interaction, les physiciens imaginent des modèles visant à donner une description simple mais suffisamment réaliste du noyau. Depuis les années 60 les physiciens constatent que le noyau des atomes peut prendre les formes les plus inattendues. La forme d’un noyau correspond à la zone dans laquelle ses constituants élémentaires peuvent se trouver. Ces constituants élémentaires sont les protons et les neutrons, qu’on nomme ensemble les nucléons, liés par l’interaction forte, l’une des quatre forces fondamentales à l’œuvre dans l’Univers. Ils sont eux-mêmes composés de quarks et de gluons (également soumis à l’interaction forte). 

Jusqu’au 19e siècle, l’atome est considéré comme la brique de base de la matière, indivisible. A partir du 20e siècle, la physique permet aux scientifiques de rentrer dans l’intimité de l’atome.

Voici les principales phases de la transformation de notre vision du noyau : 

  • 1911-1919 : On voit l’atome comme un noyau composé de protons chargés positivement autour duquel gravitent les électrons ;

  • 1932 : Le noyau compte aussi des neutrons ;

  • 1934 : Synthèse d’un atome artificiel. C’est le premier noyau exotique. Casse tête des physiciens tant leurs propriétés sont variées (forme, mode de désintégration radioactive, composition, durée de vie tellement courte que la notion même d’existence semble dépassée…), les noyaux exotiques continuent d’être étudiés aujourd’hui : il en resterait, selon les modèles théoriques, 3 000 à 5 000 à découvrir. 

  • Années 40 : Certaines combinaisons particulières de protons et de neutrons entraînent des noyaux ayant une énergie de liaison très élevée. Les physiciens les appellent les noyaux magiques. C’est le cas pour les noyaux qui comptent 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 protons et/ou neutrons. A la même époque, le noyau peut être décrit macroscopiquement comme une goutte de matière. C’est le modèle de la goutte liquide qui permet de calculer l’énergie de liaison du noyau grâce à une seule équation simple.

  • Années 50 : On pense que les nucléons sont organisés en niveaux d’énergies qu’on appelle couches nucléaires, similaires à celles des électrons autour du noyau. C’est le modèle en couches : chaque couche a un nombre fini d’emplacements, lorsqu’une couche est totalement remplie et qu’aucune n’est remplie partiellement, l’édifice est particulièrement robuste.

  • Années 70 : La théorie du champ moyen considère que chaque nucléon se déplace dans un puits de potentiel, généré par l’ensemble des autres nucléons, qui le confine dans le noyau.

  • Années 80 : les noyaux ne sont plus vus comme un mélange homogène et plus ou moins sphérique. Ils sont imaginés comme des structures très variées : ainsi le carbone 12, atome stable, porté à haute énergie, est vu comme un tripode de trois noyaux d’hélium ; Le lithium 11 fait partie d’une nouvelle famille de noyaux dits noyaux à halo : son extension spatiale est similaire à celle du plomb 208, qui comporte pourtant vingt fois plus de nucléons.

  • Années 90 : A quelques encablures de la vallée de la stabilité, la théorie prévoit l’existence d’une série de noyaux comportant plus de 110 protons dont la durée de vie serait relativement élevée. Les scientifiques parlent de l’îlot de stabilité des noyaux super-lourds. Cette relative stabilité des noyaux super-lourds va à l’encontre de la force de répulsion coulombienne qui tend à faire se disloquer un édifice composé d’un trop grand nombre de charges de même signe.

  • Années 2000 : Avec la montée en puissance des grands accélérateurs de faisceaux radioactifs (Spiral au Ganil, RIBF à Riken…) de nombreux nouveaux isotopes radioactifs sont découverts et étudiés.

  • Aujourd’hui, tous les éléments jusqu’à 118 protons ont été synthétisés. Les quatre derniers découverts (113, 115, 117 et 118 protons) ont été officiellement nommés en 2016. De nouveaux instruments sont en développement pour aller encore plus loin. Les noyaux exotiques très riches en neutrons produits lors des explosions de supernovae sont encore hors de notre portée. On est encore très loin d’avoir découvert tous les noyaux existants et les phénomènes surprenants qu’ils pourraient faire apparaître !

La vallée de la stabilité

Lorsqu’on classe les noyaux connus des atomes en fonction de leur nombre de protons (Z, éléments) et de neutrons  (N, isotopes), on obtient un ensemble de données en forme de faisceau. Si on ajoute la valeur de l’énergie de liaison de chaque noyau sous la forme d’un histogramme, on obtient un graphe en trois dimensions qui présente une surprenante vallée au fond de laquelle se  trouvent les 250 à 300 atomes stables. Plus on s’éloigne de ces noyaux, plus l’énergie de liaison de nucléons dans le noyau est faible. Les atomes radioactifs subissent une série de transformations qui les ramène toujours vers le fond de ladite vallée. Les chercheurs désignent cette figure par le terme imagé de «  vallée de la stabilité ». 

VidéoLes noyaux d’atomes et la vallée de la stabilité


D’ou viennent les noyaux :
la nucléosynthèse dans les étoiles

Les éléments qui constituent la matière sont apparus à différentes étapes de l’histoire de l’univers. Les atomes les plus légers sont les plus anciens : hydrogène, hélium, lithium et béryllium ont été formés par assemblage de protons et de neutrons dans les trois minutes suivant le Big Bang. Il y a entre douze et quinze milliards d’années. Les autres éléments, plus lourds, sont plus récents et ont été produits dans les étoiles. Les premiers atomes compris entre le carbone et le fer ont été synthétisés lors de la fin de vie d’étoiles près de dix fois plus massives que notre Soleil. Au delà du cobalt, les noyaux sont synthétisés lors de réactions explosives telles que les supernovas. On ne connaît pas encore précisément tous les processus responsables de la création des atomes dans l’Univers.

VidéoMini-conférence : les étoiles, creusets d'atomes










Notions clés

  • Dans le noyau de l’atome se trouvent les protons (chargés positivement) et les neutrons (non chargés).

  • La forme d’un noyau correspond à la zone dans laquelle ses constituants élémentaires (protons et neutrons) peuvent se trouver.

  • Lorsqu’on classe les noyaux connus des atomes en fonction de leur nombre de protons et de neutrons, on obtient un ensemble de données en forme de faisceau. Si on ajoute la valeur de l’énergie de liaison de chaque noyau sous la forme d’un histogramme, on obtient un graphe en trois dimensions, appelé "vallée de la stabilité".


























































Vue d'artiste représentant l'intérieur d'un proton
Vue d'artiste représentant l'intérieur d'un proton. © Frédéric Durillon/Animéa/CEA

















































































Vallée de la stabilité
Dans cette carte des noyaux, on prend pour "altitude", l'énergie de masse moyenne (Mc2/A) représente l'énergie de masse moyenne d'un nucléon dans le noyau. Plus cette énergie est faible, plus le noyau est stable. Les noyaux stables se retrouvent sur une ligne définissant le fond de la vallée, entourée de noyaux excédentaires en neutrons (en rose), en protons (en bleu) et de noyaux trop lourds (orange). Un excès de protons ou de neutrons se traduit par une transformation des noyaux selon différents modes de désintégration radioactive, alpha ou beta notamment. © CEA/Animea