LE NOYAU ATOMIQUE
par Jean Foucault
Introduction
La matière est constituée d'un ou de plusieurs groupes d'atomes. On crut, pendant fort longtemps, qu'on ne pouvait pas diviser les atomes. Or, on sait maintenant que cela est possible. Les atomes sont composés d'un noyau central autour duquel gravitent des électrons. Ce noyau est fait de protons et de neutrons.
Le proton a été découvert en 1918 par Ernest Rutherford (Nouvelle-Zellande). Le neutron, lui, a été découvert en 1932 par James Chadwick (Angleterre). Et pourtant, en 1911, Ernest Rutherford savait déjà qu' il y avait un noyau atomique. Alors, si le noyau atomique t'intéresse, lis ce qui suit, cela t'informera sur sa composition, ses changements et sa désintégration.
Composition du noyau atomique
Le noyau atomique est composé de nucléons (protons+neutrons). Le proton a une charge positive comparativement au neutron qui n' a pas de charge électrique. Ce dernier a une masse légèrement supérieure à celle du proton de l'ordre de 1/1400 et d'environ 2000 fois supérieure à celle d' un électron. Les nucléons se comportent comme de petites balles dures de 2,5 X 10 -15m de diamètre. Leur masse connue, qui est égale à celle de l'hydrogène, est de 1,6 X 10-27kg, ce qui nous donne la densité exacte.
Bon, comme nous le savons maintenant, le noyau atomique est fait de protons et de neutrons. Les particules sont elle-mêmes composées de particules encore plus petites appelées quarks. Ces quarks sont classés en six types. Ils possèdent une charge égale à 1/3 ou 2/3 (mais positive) de la charge de l'électron. Les quarks se combinent pour former des protons ou des neutrons. L' hypothèse des quarks a été proposée en 1964 par Murray Gell-Mann(USA). Les quarks n'ont jamais été identifiés commes tels, mais les scientifiques sont convaincus de leur existence.
Les changements du noyau atomique
Lorsque le noyau d'un atome lourd éclate, 2 noyaux légers sont formés, libérant également des particules qui s'en échappent à grande vitesse. L'énergie cinétique (de mouvement) de ces particules est énorme. Lorsque ces particules heurtent un corps, leur énergie cinétique se transforme en énergie calorifique. Cette réaction est appelée fission (division) nucléaire, on
emploie cette réaction dans les centrales électriques et à des fins destructrices comme la bombe atomique. Pour disposer de cette énergie, il est indispensable de créer une réaction en chaîne dans une matière radioactive. Une réaction en chaîne débute lorsque des particules atomiques*provenant d'un noyau heurtent un autre noyau et le font éclater. Les particules de ce noyau font alors éclater d' autres noyaux et ainsi de suite. Alors, lorsqu'un neutron frappe un noyau d'uranium, deux nouveaux noyaux sont formés et deux ou trois neutrons sont libérés. Ces neutrons libérés vont frapper deux ou trois autres noyaux d' uranium et les font éclater, c'est ainsi que se déclenche la réaction en chaîne. Dans une bombe atomique, toute l'énergie de cette réaction est libérée en une fraction de seconde sous forme d'une terrifiante explosion. Pour que cela se produise, il faut que le combustible soit de l' uranium 235 ou du plutonium 239, car ces deux isotopes, dit fissibles, se brisent sous le choc d' un neutron. La fission des noyaux lourds est une méthode employée pour obtenir de l' énergie nucléaire. La fusion (réunion) des noyaux légers en est une autre. Le deutérium est un isotope de l'hydrogène (15 atomes d'hydrogène sur 100 000 sont des atomes de deutérium) appelé parfois hydrogène lourd. Deux atomes d' hydrogène lourd peuvent se réunir pour former de l'hélium. Ce processus libère une énorme quantité d' énergie. Lorsqu'on transforme 1 kg de deutérium en hélium, l' énergie dégagée est 4 fois supérieure à celle que l' on obtient par la fission de 1 kg d' uranium. Mais pour que cela se produise, il faut des millions de degrés Celsius. Or, des températures de cet ordre n' existent pas normalement sur la terre. On ne les retrouve que dans les étoiles. Cependant, depuis quelques années, nous avons des moyens pour atteindre cette température. La fission sert à établir les conditions de la fusion dans la bombe à hydrogène. La masse totale d'hélium ainsi formée est inférieure à la masse totale de deutérium utilisée. Cette différence massique, appelée défaut de masse, est transformée en énergie. Einstein a démontré qu'une faible masse équivalait à une immense quantité d' énergie.
Désintégration
On sait que le proton a une durée de vie d'au moins 1020 fois supérieure à l'âge de l'Univers, mais la théorie indique qu' il n' est peut-être pas éternel. Si cela est vrai, toute la matière ordinaire finirait par se désintégrer. Dans une désintégration, une chose est très importante, la conservation de la charge électrique. Benjamin Franklin fut le premier à se rendre compte que la quantité nette de charges électriques (charge positive moins charge négative) ne croît ni ne décroît jamais, bien que des charges de signes opposés puissent se séparer ou se recombiner. Les électrons portent une charge électrique négative définie, mais toutes les particules plus légères en lesquelles l'électron pourrait se désintégrer (le photon, le graviton et le neutrinos) ne portent aucune charge électrique. La désintégration d'une quantité définie de charge électrique est, par conséquent, strictement impossible. Voyons maintenant comment ces lois de conservation pourraient s' appliquer aux deux constituants du noyau atomique (protons et neutrons).
Commençons d'abord par le plus léger, c'est-à-dire le proton. Un produit possible de la désintégration du proton est l'antimuon. Le muon est une particule semblable, sous bien des aspects, à l'électron : Il a la même charge, mais il est 210 fois plus massif. (Le muon se désintègre en un électron et des neutrinos.) L'antimuon a la même charge que le proton, mais il est neuf fois moins lourd. Un proton peut donc se désintégrer en un antimuon et des particules neutres légères telles que les photons et les neutrinos.
Un autre produit possible de la désintégration du proton est le méson, un membre du groupe des particules instables de masse intermédiaire entre celle de l'électron et celle du proton. Les lois de conservation de l' énergie et de la charge permettraient aux protons de se désintégrer par exemple en un méson chargé positivement et un neutrino, ou en un méson neutre et un positron (antiparticules de l'électron)**.
Jusqu' ici nous n'avons parlé que de la désintégration du proton, mais bien entendu, les noyaux de la plupart des atomes sont constitués non seulement de protons, mais aussi de neutrons. Le neutron est un baryon de charge électrique nulle et de masse un peu plus élevée que celle du proton. Pour être plus précis, la masse du neutron est très légèrement supérieure à la somme des masses du proton et de l' électron. Cette relation suggère un mode de désintégration possible pour le neutron: celui-ci pourrait donner naissance à un proton, un électron et quelques particules neutres sans masse. L'énergie peut évidemment être conservée dans se processus. Il en va de même pour la charge électrique, puisque les charges du proton et du neutron se compensent mutuellement. Un neutron libre(c'est-à-dire qui n'est pas lié dans un noyau atomique) se désintègre exactement de cette façon: il engendre un proton, un électron et un antineutrino. La demi-vie d'un neutron libre est approximativement de dix minutes. Les neutrons de certains noyaux atomiques, tels que le noyau du tritium (hydrogène lourd, contenant un proton et deux neutrons) peuvent aussi se désintégrer en protons: c'est la désintégration bêta. Dans la plupart des noyaux cependant, les neutrons ne se désintègrent pas, car il faudrait une trop grande énergie pour créer un proton soumis aux forces électrostatiques répulsives engendrées par les autres protons du noyau. Dans ces noyaux, les neutrons sont aussi stables que les protons.
Conclusion
J'espère que je vous ai suffisamment informé sur la composition et les réactions du noyau atomique car pour moi, c'est une particule très intéressante qui est à la fois minuscule et puissante. Comme vous le savez maintenant, le noyau atomique est le réacteur d'une réaction nucléaire, mais deux autres réactions sont importantes: physique et chimique. Dans ces réactions, le réacteur est l'électron et non pas le noyau atomique. Peut-être que l'électron aussi pourrait faire l'objet d'une recherche intéressante.
LEXIQUE
*Particule atomique: la particule atomique généralement utilisé est un neutron, car, dépourvu de charges électriques, le noyau ne le repousse pas.
**Positron: à chaque type de particules correspond une antiparticule de même masse, mais de valeurs opposées pour les autres propriétés, comme la charge électrique.
Bibliographie
BLANC, Danielle. Le grand livre des sciences et technologies, Paris, Édition originale 1991 par Reed Internationnal Books Ltd sous le titre original de HAMLYN ALL-COLOUR SCIENCE ENCYCLOPEDIA, 1990, 235 p.
CARATINI, Robert. L'année de la science 1990, Paris, Éditions Robert Laffont, 1989, 663 p.
WEINBERG, Steven. Les particules élémentaires, Paris, Édition pour la science inc.,1983, 215 p.
Glossaire sur des armes à fission
http://www.univ-paris8.fr/~obses/gloss.html
Recherche : Jean Foucault, Centre Le Goéland, Sherbrooke, QC
Page mise à jour : mercredi 1 octobre 1997
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