NOYAU GÉNÉRALITÉS DÉFINITION Dans un hypothétique voyage à l'intérieur de l'atome, après avoir passé les couches qui occupent les électrons, on devrait traverser une zone d'espace complètement vide. Après un trajet relativement long, on rencontrerait enfin le noyau. Le noyau occupe en effet le centre de l'atome, et ses dimensions sont des dizaines de fois inférieures à celles qui le séparent des électrons les plus proches. Son rôle peut être comparé à celui du Soleil dans notre système planétaire. Tout comme les planètes gravitent autour de notre étoile par attraction gravitationnelle, les électrons, chargés d'électricité négative, « gravitent » autour du noyau parce qu'ils sont attirés par sa charge positive. À l'intérieur du noyau atomique se trouvent deux types de particules : les protons et les neutrons. Il s'agit de particules qui se ressemblent beaucoup (au point qu'elles sont désignées l'une et l'autre sous le nom de « nucléons »), mais qui présentent quelques différences importantes. La plus notable concerne la charge électrique. Tandis que le neutron est neutre au point de vue électrique, le proton a une charge qui a exactement la même valeur que celle, de signe opposé, transportée par l'électron. Le nombre de protons présents dans noyau est appelé numéro atomique, et il est indiqué par la lettre Z. Par conséquent, la charge électrique nucléaire est égale à Z fois la charge d'un proton. Rappelons que normalement les atomes sont neutres, et que cela est dû au même nombre, Z justement, de protons et de neutrons dont ils sont constitués. Tous les atomes ayant un numéro Z identique, même s'ils diffèrent par le nombre de neutrons, donnent lieu au même élément chimique, c'est-à-dire qu'ils ont les mêmes propriétés et occupent le même emplacement dans la classification périodique des éléments. C'est pour cette raison que les atomes ayant le même numéro atomique Z sont dits isotopes (même emplacement). Dans le noyau se concentre presque toute la masse de l'atome. En effet, les neutrons et les protons ont des masses beaucoup plus grandes (environ 1 800 fois) que celle des électrons. Pour évaluer la masse d'un noyau, il est fondamental de connaître le nombre de neutrons qu'il contient. Ce nombre est indiqué en général par la lettre N. Si on néglige la très petite différence existant entre les masses du proton et du neutron, on peut conclure que la masse d'un noyau vaut Z + N fois la masse du proton. La quantité Z + N est indiquée par la lettre A, et s'appelle nombre de masse. Comme terme de comparaison pour les masses atomiques (et nucléaires), on a choisi un isotope particulier du carbone, très répandu dans la nature : le carbone-12. Dans son noyau sont présents 6 protons et 6 neutrons. Son nombre de masse A vaut donc 12. Comme unité de mesure des masses atomiques, on a choisi la douzième partie de la masse du carbone-12. Toutefois, la masse n'est pas toujours égale à un nombre entier de fois cette unité de mesure. Il s'agit souvent d'un nombre décimal. La raison en est qu'il existe, pour un même élément chimique, des isotopes de poids différent. Ils contribuent à la masse de l'élément de façon plus ou moins accentuée selon leur abondance dans la nature. Par exemple, le chlore naturel est constitué à 75,4 % d'un isotope qui 1 pèse environ 34 unités de masse atomique, et à 24,6 % d'un isotope qui pèse 37 unités de masse atomique. La masse atomique du mélange de chlore est égale par conséquent à 35,5 unités de masse atomique. L'évaluation de la masse des atomes et, par conséquent, des noyaux, a une grande importance dans la physique nucléaire. La célèbre formule E = mc2, écrite pour la première fois par Albert Einstein en 1905, établit qu'il existe une équivalence entre masse et énergie, comme s'il s'agissait de deux formes sous lesquelles se présente la même entité physique. L'interprétation de la formule est simple : elle permet de calculer à combien d'énergie (E) correspond une certaine masse (m). Il suffit de multiplier la masse par la vitesse de la lumière (c) élevée au carré. Dans certains processus nucléaires (fission nucléaire, fusion), des fractions, même très petites, de la masse du noyau se transforment en énergie. Si on connaît avec précision la masse d'un noyau atomique et de ses constituants, on peut, au moyen de la formule d'Einstein, calculer l'énergie émise au cours de réactions nucléaires comme celles qui ont lieu dans les étoiles, dans les réacteurs nucléaires et dans les bombes atomiques. DÉCOUVERTE La physique nucléaire est née avec la découverte de la radioactivité. En 1896, Henri Becquerel remarqua qu'une plaque photographique noircissait si on la plaçait à proximité d'un minerai contenant des composés de l'uranium. Ces composés devaient donc émettre des radiations capables de les impressionner. En 1899, Pierre Curie et sa femme Marie Curie parvinrent à extraire du mystérieux minéral la substance radioactive responsable de cet étrange phénomène. Cette substance fut baptisée radium. Un an plus tard, Ernest Rutherford classifia les radiations émises par les substances radioactives en trois groupes : radiations ?, ? et ?. Rutherford observa en outre que les atomes qui émettent des radiations se transforment en atomes différents, c'est-à-dire dotés de propriétés chimiques différentes de celles qui sont caractéristiques des atomes de départ. Beaucoup d'expériences furent menées dans les années suivantes dans le but d'identifier la composition des trois types de radiation. Leurs résultats ont conduit à la conclusion que la radiation ? est constituée de noyaux d'hélium (deux protons et deux neutrons), la radiation ? d'électrons (ou de leurs antiparticules, les positrons), tandis que la radiation ? est une radiation électromagnétique (constituée par conséquent de photons), particulièrement énergétique. En 1911, Rutherford conçut le modèle d'atome qui porte son nom : un « noyau » contenant la plus grande partie de la masse de l'atome, chargé d'électricité positive et ayant un rayon beaucoup plus petit que le rayon atomique. Autour du noyau, un certain nombre d'électrons sont sur des orbites circulaires. Deux années plus tard, Niels Bohr présenta sa théorie sur la structure de l'atome. Elle complétait le modèle de Rutherford et, surtout, elle expliquait les processus d'émission et d'absorption de photons par les atomes d'hydrogène. Ce résultat stimula les études de physique atomique et mena, vers 1920, à la formulation de la mécanique quantique par Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Wolfgang Pauli et d'autres. La nouvelle théorie, expérimentée avec succès dans la description de l'atome, fut bientôt appliquée à l'étude des noyaux atomiques. C'est ainsi que l'on put comprendre les lois, établies dans les premières décennies du XXe siècle, relatives aux transmutations nucléaires accompagnées de l'émission de particules ? et ?. La structure du noyau devint plus claire quand, en 1932, James Chadwick 2 découvrit le neutron, une particule ayant environ la même masse que le proton, mais avec une charge électrique nulle. On aboutit ainsi à l'hypothèse, selon laquelle les noyaux atomiques consistent en protons et en neutrons. Cela conduisit à rejeter d'autres explications alternatives, comme celle selon laquelle les noyaux seraient constitués de protons et d'électrons. La connaissance des propriétés nucléaires fit des progrès remarquables grâce à des expériences au cours desquelles les noyaux étaient bombardés au moyen de particules légères (protons, électrons, particules ?? etc.). L'étude de la transmutation artificielle d'une espèce chimique en une autre revêtit aussi une grande importance. C'est à ce stade de la recherche que commença également l'étude des forces nucléaires, celles qui assurent la cohésion des protons et des neutrons. On comprit immédiatement que les forces nucléaires sont beaucoup plus fortes que les forces électromagnétiques et gravitationnelles, et qu'elles n'agissent que sur des distances très courtes, comparables au rayon du noyau. En 1939, Hideki Yukawa, suivant une suggestion de Heisenberg, formula l'hypothèse selon laquelle les forces qui s'exercent entre les constituants du noyau sont dues à des particules lourdes (300 fois plus que les électrons). Ces particules, appelées mésons ?, furent effectivement découvertes dans la radiation cosmique en 1946. DÉVELOPPEMENT DES THÉORIES Hypothèse proton-électron Le fait que certains noyaux atomiques radioactifs émettent des rayons ? et ?, tous deux de nature corpusculaire, suggère l'idée selon laquelle ils sont constitués de particules. En 1816, Prout avait remarqué que tous les atomes connus à l'époque avaient une masse approximativement identique à un nombre entier de fois la masse atomique de l'hydrogène. Ce fait suggéra l'hypothèse selon laquelle tous les noyaux seraient des agrégats de noyaux d'hydrogène. Cette hypothèse fut écartée quand on s'aperçut qu'il existait des masses atomiques fractionnaires, comme celle du chlore (35,48) et du bore (10,81). Au début du XXe siècle, on reprit en considération l'idée selon laquelle les noyaux contenaient des constituants plus petits. On comprit qu'il existait des atomes ayant les mêmes propriétés chimiques, mais une masse différente. Ces atomes, qui appartiennent à la même espèce chimique, et se trouvent par conséquent dans la même case de la classification périodique de Mendeleiev, sont dits isotopes. En réalité, la plupart des éléments chimiques existant dans la nature sont constitués de mélanges d'isotopes. Cela explique la présence de masses atomiques fractionnaires. Vers 1920, il fut possible d'établir qu'il n'existait aucun constituant nucléaire de charge positive plus léger que le noyau de l'hydrogène. On parvint donc à la conclusion que le constituant fondamental des noyaux atomiques était le noyau de l'hydrogène, qui fut appelé « proton » (du mot grec proton, qui signifie premier). Pour justifier la neutralité électrique des atomes, on supposa qu'un atome doté de Z protons devait contenir aussi Z électrons. La seule présence des Z protons dans le noyau ne suffisait pas à rendre compte du poids du noyau. Celui-ci, en effet, pèse en général plus que ne pèsent Z protons. On pensa alors que le noyau contenait un nombre de protons suffisant pour atteindre le poids exact et, en outre, un certain nombre d'&...
