Cohésion et stabilité du noyau - Cours de Physique Chimie Première avec Maxicours

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Cohésion et stabilité du noyau

Objectif(s)
Faire un rappel de la structure du noyau atomique. Voir quelles sont les interactions pertinentes pour étudier la cohésion du noyau. Étudier sa stabilité. Présenter la carte des radionucléides, puis voir les différents types de désintégrations radioactives.
1. Le noyau atomique
a. Présentation du noyau de l'atome (rappels)
Un atome est constitué d’un noyau autour duquel se trouvent les électrons. Les dimensions de l’atome sont de l’ordre de , et celles du noyau sont de quelques femtomètres. Le femtomètre, égal à et noté fm, est aussi appelés fermi.

Un noyau est composé de nucléons : les protons et les neutrons. Ils ont un rayon d’environ 1,2 fm. Le proton présente une charge électrique q de , où est la charge électrique élémentaire. Le neutron est neutre électriquement ; il est légèrement plus lourd que le proton. Les masses sont respectivement de et de .

Un nucléide (noyau) est noté sous la forme , où A est le nombre de nucléons, Z est le nombre de protons, le nombre de neutrons. Avec la classification périodique des éléments, le Z correspond au numéro atomique de l’élément chimique dont le nom est également le nom X du noyau.
b. Interactions s'exerçant à l'échelle du noyau
L’interaction gravitationnelle se manifeste sous la forme de la force de gravitation attractive entre deux corps de masses non nulles. En appliquant la loi de Newton à deux nucléons de masse  séparés par une distance égale à deux fois leur rayon, c'est-à-dire 2,4 fm, la force de gravitation est de :
soit un ordre de grandeur de .

L’interaction électromagnétique fait que les protons se repoussent : répulsion coulombienne entre deux charges de même signe. La loi de Coulomb indique que la force électrique s’exerçant sur deux protons distants de 2,4 fm vaut :
soit environ 40 N.
, donc on néglige l’interaction gravitationnelle pour décrire le noyau.

L’interaction forte correspond à une force attractive qui agit entre nucléons, indépendamment du fait qu’ils soient protons ou neutrons. La répulsion coulombienne tendrait à faire éclater le noyau, l’interaction forte l’en empêche dans la mesure du possible.

Par exemple, deux protons seuls ne peuvent pas former un noyau, car la répulsion l’emporte sur l’attraction. Par contre, l’ajout de deux neutrons forme le noyau d’hélium qui est stable. En effet, les neutrons « démultiplient » les forces attractives dues à l’interaction forte.

L’interaction forte est très attractive à très courte distance (de l’ordre du femtomètre) mais son effet décroît très vite avec la distance. Sa portée est de l’ordre de quelques femtomètres, de sorte qu’elle est négligeable entre nucléons éloignés.

L’interaction faible, contrairement aux autres interactions, ne donne pas lieu à une force, mais est responsable de certaines désintégrations dont nous parlerons plus tard.
2. Désintégrations nucléaires
Un noyau instable va se désintégrer afin d’en former un plus stable. Concrètement, au bout d’une ou plusieurs désintégrations, il va se modifier jusqu’à devenir un noyau de la vallée de stabilité. Pour cela, il a diverses possibilités de désintégrations dont nous allons en étudier certaines.
a. Désintégration alpha
Un noyau où  sera instable car trop lourd. Pour devenir plus stable, un moyen est d’éjecter 2 protons et 2 neutrons, c'est-à-dire un noyau d’hélium, appelée particule alpha () :

Cela concerne la zone jaune de la carte des nucléides. Le noyau X est nommé noyau père, et le Y est le noyau fils. Le symbole * signifie que le noyau fils est dans un état excité. Le rayonnement alpha est stoppé par une feuille de papier ou quelques centimètres d’air.

Exemple : Désintégration de l’Américium 241 en Neptunium 237 : .
b. Désintégration bêta -
Un neutron « qui ne sert pas » est instable. Pour preuve, un neutron isolé se désintègre en proton selon la réaction . Le est un électron (particule ) et un anti-neutrino. Cette particule neutre est souvent omise dans les réactions.

Un noyau comportant trop de neutrons par rapport à la vallée de stabilité sera dans la zone bleue sur la carte des nucléides. Il subira une désintégration selon la réaction générale :

Cette désintégration se fait par le biais de l’interaction faible. Le rayonnement est plus pénétrant que le rayonnement , mais il est arrêté par une feuille d’aluminium.

Exemple : Désintégration du Carbone 14 en Azote 14 : .
c. Désintégration bêta +
A l’opposé, un noyau trop riche en protons sera l’objet d’une désintégration . Autrement dit, un proton va devenir neutron par interaction faible. Cela concerne la zone orange de la carte des nucléides. De manière générale, cela donne :

est un positon, appelé aussi positron ou anti-électron. Cette particule a les mêmes propriétés que l’électron, mis à part sa charge électrique positive. est un neutrino. Comme l’anti-neutrino, il est souvent omis dans l’écriture des réactions.

Les noyaux émetteurs sont créés artificiellement (laboratoires, accélérateurs de particules, centrales nucléaires, …) et n’existent pas dans la nature.

Exemple : Désintégration du Phosphore 30 en Silicium 30 : .
d. Désintégration gamma
Après chacune des désintégrations que nous venons de voir, le noyau fils se trouve dans un état excité. Pour devenir plus stable, il émet un photon , selon la réaction :

Contrairement aux autres désintégrations, la structure du noyau n’est pas modifiée. Le rayonnement est très pénétrant, car les photons ont une grande énergie. Des épaisseurs d’acier, béton ou plomb sont nécessaires pour atténuer ce rayonnement.
L'essentiel
Le noyau de l’atome est le siège d’une lutte entre la répulsion coulombienne qui tend à faire exploser le noyau et l’interaction forte qui le stabilise. L’interaction gravitationnelle est négligée à l’échelle du noyau. Il existe des milliers de noyaux, mais seule une centaine parmi eux sont stables. Les autres sont instables et sont l’objet de désintégrations radioactives afin de former des noyaux plus stables.

Quatre types de désintégration sont à connaître :

• Alpha : 

• Bêta - : 

• Bêta + : 

• Gamma : 

Les désintégrations bêta résultent de la modification de la nature d’un nucléon par interaction faible. La désintégration gamma succède aux autres désintégrations.

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