nucléaire (physique).

nucléaire (physique). partie de la physique qui traite des noyaux des atomes, de leurs caractéristiques et de leurs transformations. C'est dans le noyau de l'atome, dont le diamètre est très petit ( S10 - 15 m), que se trouve rassemblée la plus grande partie de la masse de la matière, avec une densité considérable (S10 17 k g . m - 3). Les deux constituants du noyau sont le proton et le neutron. Pour un élément donné, le nombre Z de protons est fixe (de 1 pour l'hydrogène à 94 pour le plutonium), mais le nombre de neutrons est variable, en général égal ou légèrement supérieur à Z pour les noyaux stables (les différents noyaux correspondant à un Z donné constituent les isotopes de cette espèce chimique). La physique nucléaire s'est fixé pour objet, dans un premier temps, de décrire l'édifice nucléaire, puis de comprendre sa structure : l'exploration systématique de tous les noyaux possibles, ceux qui existent dans la nature et ceux dont on a fait la synthèse, a permis de dresser un tableau de stabilité de l'ensemble des éléments et de leurs isotopes. En plus de leur (in)stabilité et de la nature des produits issus de leur décomposition radioactive, les physiciens eurent accès à des données géométriques sur les noyaux, surtout sur leurs dimensions et sur leur forme, sphérique ou ellipsoïdale plus ou moins allongée ou aplatie. Le second objet de la physique nucléaire fut alors de construire des modèles pour rendre compte des propriétés des noyaux, en relation avec les données du tableau des formes et des stabilités. En effet, le premier paradoxe consistait à découvrir quelle force maintenait ensemble une assemblée compacte de particules portant des charges électriques identiques, donc se repoussant violemment. On émit en 1935 l'hypothèse d'une force à très courte portée s'exerçant indifféremment entre neutrons et protons, transportée d'une particule à l'autre par un hypothétique « méson » dont la réalité fut confirmée en 1947 et qui porte le nom de « pion ». Il fallait en outre comprendre pourquoi la densité de la matière nucléaire est à peu près constante quelle que soit la masse des noyaux, pourquoi certaines configurations correspondant à des « nombres magiques » de nucléons (nom désignant l'ensemble des protons et des neutrons) sont particulièrement stables, pourquoi, enfin, aucun noyau n'existe au-delà d'environ 240 nucléons. Différents modèles complémentaires ont été proposés (« de la goutte liquide », en couches, modèle supraconducteur, etc.), qui expliquent sélectivement certaines propriétés, sans qu'aucun puisse être considéré comme définitif. À partir de ces modèles, la physique nucléaire s'est trouvée en mesure de faire des prédictions demandant une confirmation expérimentale. Le modèle des couches, par exemple, permet de prévoir un spectre d'états d'énergie du noyau qu'on ne peut observer qu'en excitant les noyaux à des énergies considérables ; de même, le modèle de la goutte permet de prévoir des états fortement déformés, également observables par excitation. Pour obtenir ces états très énergétiques, la seule solution est de bombarder les noyaux avec des projectiles ayant une énergie suffisante pour franchir la barrière électrique due à la charge positive du noyau. Historiquement, ces projectiles ont d'abord été fournis par l'émission radioactive, ce qui a permis à Ernest Rutherford de poser les bases de la théorie du noyau, puis on s'est servi de rayons cosmiques, qui fournissent chichement et de façon aléatoire des projectiles excessivement énergétiques. Aujourd'hui, les accélérateurs de particules produisent à la demande les projectiles ayant la taille, la charge et l'énergie adaptées aux différentes recherches des physiciens du noyau. Ayant à peu près épuisé l'étude des états « normaux » du noyau, la physique nucléaire est entrée depuis les années soixante dans une nouvelle phase, celle de l'étude des états « exotiques ». Disposant de centres de recherche parfaitement adaptés, les physiciens nucléaires sont aujourd'hui en mesure d'exciter les noyaux dans des états extrêmes et de « sonder » ces états, dont la durée de vie est en général très brève. En accolant différents noyaux, ils sont capables de construire des noyaux éphémères bien au-delà de la limite de stabilité, à la recherche d'hypothétiques noyaux hyperlourds stables dont certains modèles prévoient l'existence. Par un bombardement judicieux, il est possible de « chauffer » la matière nucléaire, c'est-à-dire de la porter à un état instable dans lequel chaque nucléon acquiert une énergie cinétique élevée tout en restant à l'intérieur du noyau. Grâce à ces différentes techniques, les physiciens peuvent créer en laboratoire des conditions où la matière nucléaire est dans un état voisin de celui qui existe dans le coeur des étoiles, et les résultats obtenus permettent de mieux comprendre la nature de ces gigantesques noyaux que sont les étoiles à neutrons. 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