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La physique nucl√©aire est la science qui √©tudie non seulement le noyau atomique en tant que tel (√©laboration d'un mod√®le th√©orique) mais aussi la fa√ßon dont il interagit lorsqu'une particule arrive ¬ę √† proximit√© ¬Ľ (l'ordre de grandeur est 10-12 cm, on parle couramment en physique nucl√©aire de section efficace dont l'unit√© est le barn soit 10-24 cm2) du noyau (obtention de r√©sultats exp√©rimentaux). Apr√®s un bref rappel historique, cet article se consacre √† d√©crire :

  • la structure nucl√©aire, qui vise √† comprendre comment les nucl√©ons (protons et neutrons) interagissent pour former le noyau.
  • les m√©canismes des r√©actions nucl√©aires dont le but est de d√©crire les diff√©rentes fa√ßons qu'ont les noyaux d'interagir : fission, fusion, diffusion (√©lastique, in√©lastique), radioactivit√©...
  • les domaines d'applications de la physique nucl√©aire : de la m√©decine √† l'astrophysique, en passant par la production d'√©nergie, tous ces domaines d'activit√© exploitent la physique des interactions rayonnement-mati√®res.
  • les organismes de recherche en physique nucl√©aire, en France et dans le monde.

Sommaire

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, c'est-à-dire le même nombre de protons, et n'ayant pas le même nombre de neutrons sont appelés isotopes.

Le noyau dans l'Histoire

Jusqu'au tournant du XXe si√®cle, on a cru que les atomes √©taient les constituants ultimes de la mati√®re. La d√©couverte de la radioactivit√© en 1896 par Henri Becquerel et les √©tudes qui suivirent, en particulier par les √©poux Curie, commenc√®rent de sugg√©rer que les atomes √©taient peut-√™tre eux-m√™mes des objets compos√©s. Comment, sinon, la mati√®re pourrait-elle √©mettre spontan√©ment des particules comme dans le cas de la radioactivit√© 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 d√©couvre l'existence dans le noyau du proton, particule poss√©dant une charge positive √©l√©mentaire e, mais poss√©dant une masse beaucoup plus grande que celle de l'√©lectron (qui lui a une charge √©lectrique √©l√©mentaire n√©gative). En 1932, Chadwick met en √©vidence l'existence du neutron, particule tr√®s semblable au proton, hormis le fait qu'il ne poss√®de pas de charge √©lectrique (d'o√Ļ son nom). √Ä la m√™me √©poque, Heisenberg propose que le noyau atomique est en fait constitu√© d'un ensemble de protons et de neutrons.

Structure nucléaire

L'interaction forte maintient la coh√©sion des nucl√©ons au sein du noyau. C'est la plus intense des quatre forces fondamentales de la nature (d'o√Ļ son nom). Elle se caract√©rise par le fait qu'elle est fortement attractive √† courte distance (lorsque les nucl√©ons se rapprochent tr√®s pr√®s l'un de l'autre), r√©pulsive √† ¬ę moyenne ¬Ľ distance, et s'annule √† longue distance. Les protons √©tant des particules charg√©es, ils interagissent √©galement via l'interaction coulombienne. Si le nombre de protons dans le noyau est important, cette derni√®re prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantit√© d'√©nergie qui assure la coh√©sion du noyau est appel√©e √©nergie de liaison du noyau.

Article d√©taill√© : Structure nucl√©aire.

Les réactions nucléaires

Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de l'état quantique du noyau. Participent alors à la réaction les nucléons constituant le noyau, mais également d'autres particules, tels les électrons e-, les positons e+...

Les r√©actions nucl√©aires peuvent √™tre 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 r√©action qui est mis en Ňďuvre dans les bombes atomiques de type A et dans les centrales nucl√©aires √©lectrog√®nes.
  • la fusion : plusieurs noyaux l√©gers fusionnent. C'est le mode de production d'√©nergie des √©toiles. La fusion nucl√©aire est √† la source de la nucl√©osynth√®se qui permet d'expliquer la gen√®se de tous les √©l√©ments du tableau p√©riodique de Mendele√Įev et de leurs isotopes. C'est √©galement le type de r√©action qui est utilis√© dans les bombes dites √† hydrog√®ne (Bombe H). L'utilisation de la fusion √† des fins de production d'√©nergie civile n'est pas encore ma√ģtris√©e. Sa ma√ģtrise est l'objet du projet international ITER.
  • la radioactivit√© : un noyau √©met une ou plusieurs particules spontan√©ment. On distingue :
  • la spallation (en anglais knock-out reaction) : des particules l√©g√®res (neutrons par exemple) sont envoy√©es sur un noyau cible et expulsent un ou plusieurs nucl√©ons de ce noyau.
  • les r√©actions de diffusion : le projectile (un photon, un nucl√©on ou un ensemble de nucl√©ons) voit sa trajectoire modifi√©e. On parle de diffusion √©lastique lorsqu'il y a conservation de l'√©nergie cin√©tique du syst√®me {projectile-cible}. Dans le cas contraire, on parle de diffusion in√©lastique : une √©nergie potentielle suppl√©mentaire (qui provient du noyau) est lib√©r√©e au moment de l'interaction. Lorsque la particule incidente est un photon, on nomme diff√©remment la diffusion, selon le ph√©nom√®ne physique mis en jeu :
    • La diffusion de Thomson concerne un photon qui interagit avec un √©lectron libre. On parle de diffusion coh√©rente car la longueur du photon diffus√© est la m√™me que l'incidente (voir le point suivant). La diffusion Thomson est une diffusion √©lastique qui a lieu g√©n√©ralement entre quelques dizaines de keV et 100 keV.
    • Lorsque le photon a une √©nergie incidente sup√©rieure (au dela de 100 keV environ), l'√©nergie du photon r√©√©mis est inf√©rieure √† celle du photon incident. On parle d'effet Compton (variation de la longueur d'onde). La diffusion Compton est √©galement une diffusion √©lastique (la diff√©rence d'√©nergie entre le gamma incident et celui r√©√©mis est transmise √† l'√©lectron). La diffusion Thomson est un cas particulier de la diffusion Compton (lorsque l'√©nergie du photon incident est tr√®s inf√©rieure √† 511 keV). La diffusion Thomson n'est donc pas au sens strict une diffusion coh√©rente mais la diff√©rence de longueur d'onde entre la particule √©mise et l'incidente est trop faible pour √™tre mesur√©e.
    • Lorsque le photon incident interagit avec un √©lectron appari√© (plus pr√©cis√©ment avec une mol√©cule ayant un moment dipolaire comme N2 ou O2 qu'on retrouve dans l'air -- le barycentre du nuage √©lectronique d'un (des 2) atome ne co√Įncide pas avec le noyau), on parle de diffusion de Rayleigh. La diffusion de Rayleigh est parfaitement coh√©rente. Elle pr√©domine pour les photons de quelques eV. Elle explique notamment la couleur bleu du ciel.
  • effet photo-√©lectrique : le photon incident "disparait" en transmettant son √©nergie sous forme d'√©nergie cin√©tique √† un √©lectron. Ph√©nom√®ne pr√©dominant pour les photon d'√©nergie inf√©rieure √† quelques dizaines de keV.

--Axel-air (d) 12 juin 2009 à 23:53 (CEST)

Applications de la physique nucléaire

Astrophysique

La nucl√©osynth√®se explique la fabrication dans l‚ÄôUnivers des divers noyaux qui le constituent actuellement. Deux processus bien distincts sont cependant n√©cessaires pour expliquer l'abondance des diff√©rents √©l√©ments chimiques dans l'univers :

  • Dans une premi√®re phase, lors du Big Bang, sont form√©s √† partir de l'hydrog√®ne, les noyaux de 2H (deut√©rium), 3He, 4He et 7Li. Aucun √©l√©ment plus lourd n'est synth√©tis√©, car cette phase est relativement courte. Or, pour former des √©l√©ments plus lourds que le lithium, il est n√©cessaire d'avoir recours √† une r√©action faisant intervenir trois noyaux d'h√©lium, dite r√©action triple alpha. Ce type de r√©action est extr√™mement difficile √† r√©aliser et ne peut se faire que sur des p√©riodes beaucoup plus longues que les quelques minutes de la nucl√©osynth√®se primordiale.
  • La suite de la nucl√©osynth√®se se produit ainsi au cŇďur des √©toiles. On parle alors de nucl√©osynth√®se stellaire. Celle-ci se scinde d'ailleurs en deux proc√©d√©s : la nucl√©osynth√®se lente, ayant lieu dans les √©toiles, qui permet de synth√©tiser les √©l√©ments plus l√©gers que le fer, puis la nucl√©osynth√®se explosive, produite uniquement lors des explosions d'√©toiles, appel√©es supernovae. On parle alors de nucl√©osynth√®se explosive.
Article d√©taill√© : Nucl√©osynth√®se stellaire.
Article d√©taill√© : Nucl√©osynth√®se primordiale.

Archéologie

Article d√©taill√© : Datation radioactive.

Médecine

La médecine nucléaire repose sur l'utilisation de sources radioactives et de l'interaction de ces sources 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.

Article d√©taill√© : M√©decine nucl√©aire.
Article d√©taill√© : Radioth√©rapie.

Production d'énergie

La production d'√©nergie nucl√©aire peut avoir deux origines : la fission d'un noyau lourd (famille des actinides comme l'uranium) ou la fusion de noyaux l√©gers (de type deut√©rium, tritium).

La production d'√©nergie peut √™tre :

  • br√®ve et intense : c'est le principe d'une bombe nucl√©aire,
  • contr√īl√©e (√† des fins de production civile mais aussi militaire).

Production d'√©nergie contr√īl√©e

Actuellement, les industriels ne peuvent exploiter que l'√©nergie qui provient de la fission des noyaux lourds. L'√©nergie est ensuite utilis√©e :

  • soit pour produire de l'√©lectricit√©, c'est le cas des centrales nucl√©aires
    Article d√©taill√© : Centrale nucl√©aire.
  • soit pour permettre de mouvoir un v√©hicule, particuli√®rement dans le domaine maritime (porte-avions, sous-marins √† propulsion nucl√©aire) et de l'a√©rospatiale
    Article d√©taill√© : Propulsion nucl√©aire thermique.
    .

L'utilisation de la fusion √† des fins de production d'√©nergie civile n'est pas encore ma√ģtris√©e. Sa ma√ģtrise est l'objet du projet international ITER.

Application militaire (bombe nucléaire)

Article d√©taill√© : Bombe A.
Article d√©taill√© : Bombe H.

Agro-alimentaire : st√©rilisation des aliments

voir le document [1]

Analyse par activation

Le principe est d'irradier, sous flux neutronique, un object dans le but de créer des produits d'activations qui sont des radio-isotopes formés à partir des éléments présents dans la matrice à analyser. Chaque radioisotope émet des raies X/gamma qui lui sont caractéristiques.

Contr√īle non destructif

Même principe que la radiologie utilisée en médecine mais les sources de rayonnement sont plus intenses et ont un spectre plus "dur" du fait des épaisseurs et de la nature de la matière (acier,...) à traverser.

Organismes de recherche en Physique Nucléaire

En France

En Europe

Dans le monde

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

Ouvrages de vulgarisation

  • James M. Cork ; Radioactivit√© & physique nucl√©aire, Dunod (1949).

Ouvrages d'initiation

  • Luc Valentin, Le monde subatomique [d√©tail des √©ditions]
  • Luc Valentin ; Noyaux et particules - Mod√®les et sym√©tries, Hermann (1997).
  • David Halliday ; Introduction √† la physique nucl√©aire, Dunod (1957).

Ouvrages de physique fondamentale

  • Irving Kaplan ; Nuclear physics, the Addison-Wesley Series in Nuclear Science & Engineering, Addison-Wesley (1956).
  • A. Bohr & B. Mottelson ; Nuclear Structure, 2 vol., Benjamin (1969-1975). Volume 1 : Single Particle Motion ; Volume 2 : Nuclear Deformations. R√©√©dit√© par World Scientific Publishing Company (1998), ISBN 9810231970.
  • P. Ring & P. Schuck; The nuclear many-body problem, Springer Verlag (1980), ISBN 354021206X
  • A. de Shalit & H. Feshbach; Theoretical Nuclear Physics, 2 vol., John Wiley & Sons (1974). Volume 1 : Nuclear Structure; Volume 2 : Nuclear Reactions, ISBN 0471203858
  • C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Lalo√ę ; M√©canique quantique, 2vol., Hermann (collection enseignement des sciences), ISBN 2705660747 et ISBN 2705661212.
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