La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :
- la structure nucléaire, qui vise à comprendre comment les nucléons (protons et neutrons) interagissent pour former le noyau.
- les mécanismes de réaction dont le but est de décrire les différentes façons qu'ont les noyaux d'interagir : fission, fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...), diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) (élastique, inélastique), etc.
- les aspects inter-disciplinaires qui explorent les interactions entre la physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...) et les autres sciences fondamentales telles que l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) (nucléo-synthèse), la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) (brisure de symétries), la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) atomique, etc.
- les applications de la physique nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) à la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...), à la production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), à la fabrication d'armes.
Introduction
La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) est constituée de molécules, elles-mêmes constituées d'atomes. Ces atomes sont formés d'un noyau central entouré par un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) électronique. La physique nucléaire est la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) qui s'intéresse à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des phénomènes physiques faisant intervenir le noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de...). En raison de la taille microscopique de celui-ci, les outils mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) utilisés s'inscrivent essentiellement dans le cadre du formalisme de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...).
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 (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) élémentaire positive, alors que les neutrons sont des particules neutres. Ils n'ont qu'un moment magnétique (En physique, le moment magnétique est une grandeur vectorielle qui permet de mesurer...), et ne sont donc que peu sensibles au champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...), contrairement aux protons. Si l'on assimilait le noyau atomique à une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) 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 sont appelés isotopes.
Cohésion du noyau
L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) 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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...)" distance, et s'annule à longue distance. Les protons étant des particules chargées, ils interagissent également via l'interaction coulombienne. Si le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de protons dans le noyau est important, cette dernière prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'énergie qui assure la cohésion du noyau est appelée énergie de liaison du noyau.
Réactions nucléaires
Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de l'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...) 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 positrons 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 œuvre 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 (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...) est à la source de la nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux...) qui permet d'expliquer la genèse de tous les éléments du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique de Mendeleïev et de leurs isotopes. C'est également le type de réaction qui est utilisé dans les bombes dites à hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) international ITER.
- la radioactivité : un noyau émet une ou plusieurs particules spontanément. On distingue les radioactivités α, où un noyau d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) est émis; la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) β où sont émis soit un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et un anti-neutrino électronique (β − ), soit un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....) et un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...) électronique (β + ) et la radioactivité γ par laquelle un noyau perd son énergie par un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique...) de haute énergie.
- réactions de knock-out : 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 (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) frontale. Le projectile est dévié par la cible mais a modifié l'état de cette dernière. Dans le cas d'une diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la...), l'énergie de la cible n'est pas modifiée, au contraire d'une diffusion inélastique.
Aspects interdisciplinaires
- Nucléosynthèse : fabrication dans l’Univers des divers noyaux qui le constituent actuellement
- Fonctionnement des étoiles : histoire de l’évolution d’une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...), avec la fourniture d’énergie par les réactions nucléaires, au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure de l’épuisement du carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) initial, l’hydrogène.
Applications du nucléaire
La production d'énergie à des buts militaires ou pacifiques, et la médecine sont les grands domaines qui tirent parti des propriétés des noyaux atomiques.
- Production d'énergie - L'énergie nécessaire pour maintenir la cohésion du noyau (pour confiner les neutrons et protons dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) d'espace limité) est colossale. Il est techniquement possible d'exploiter cette énergie, soit de façon incontrôlée (bombe atomique, bombe H), soit de façon contrôlée (énergie nucléaire mise en œuvre dans les centrales de production d'électricité).
- Médecine - La médecine nucléaire (La médecine nucléaire est l'ensemble des applications médicales des radiotraceurs,...) repose d'abord sur l'utilisation de sources radioactives et de l'interaction de molécules contenant des isotopes radioactifs avec les tissus humains. Cette interaction est exploitée à des fins de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de...) (radiologie par exemple) ou de traitement (radiothérapie). À partir des années 1980 se sont développées les techniques d’imagerie par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son...) (IRM) qui font appel aux propriétés magnétiques des noyaux.
Historique
Jusqu'au tournant du XXe siècle, on a cru que les atomes étaient les constituants ultimes de la matière. La découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel (Antoine Henri Becquerel (15 décembre 1852, Paris - 25 août 1908, Le...) 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 (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) d'or, il en vint à conclure que le plus simple semble de supposer que l'atome contient une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) [électrique] centrale distribuée dans un volume très petit ("it seems simplest to suppose that the atom (L'appellation Atom se réfère à deux standards liés.) 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 (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) était donc un noyau central possédant une charge électrique entouré par des électrons maintenus en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) 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 (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...), particule possédant une charge positive élémentaire e, mais possédant une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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 (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.), 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.
Structure nucléaire (La connaissance de la structure des noyaux atomiques, ou structure nucléaire est un des...)
Mécanismes de réaction
Applications de la physique nucléaire
En astrophysique
En archéologie
En médecine
Production d'énergie
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.
Applications militaires