Physique nucléaire - Définition

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, diffusion (élastique, inélastique), etc.
• les aspects inter-disciplinaires qui explorent les interactions entre la physique nucléaire et les autres sciences fondamentales telles que l'astrophysique (nucléo-synthèse), la physique des particules (brisure de symétries), la physique atomique, etc.
• les applications de la physique nucléaire à la médecine, à la production d'énergie, à la fabrication d'armes.

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 sont appelés isotopes.

Cohésion du noyau

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.

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 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 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 : 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.

Aspects interdisciplinaires

• Nucléosynthèse : fabrication dans l’Univers des divers noyaux qui le constituent actuellement

• Fonctionnement des étoiles : histoire de l’évolution d’une étoile, avec la fourniture d’énergie par les réactions nucléaires, au fur et à mesure de l’épuisement du carburant 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 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 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 (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.

Historique

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 [électrique] 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.

Structure nucléaire

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