Introduction à la physique nucléaire

Transcription

1 0-1 Introduction à la physique nucléaire Evelyne DAUBIE 2 ième année d'études de Bachelier en sciences physiques 2 ième année d'études de Bachelier en sciences chimiques 2 ième année d'études de Bachelier en sciences mathématiques (option)

2 Plan du cours 0-2 Chp1 Généralités 1.1 Constitution de la matière 1.2 Fiche signalétique de l'atome et du noyau 1.3 Unités et ordres de grandeur : MeV & fm. 1.4 Nomenclature : isotopes, isobares, isotones et nuclides 1.5 Unités de masses atomiques 1.6 Plan "Z N et ligne de stabilité 1.7 Energie de liaison nucléaire défaut de masse 1.8 Modes de production d'énergie à partir des noyaux Chp2 Description du noyau 2.1 Résumé des caractéristiques des forces nucléaires 2.2 Modèle de la goutte liquide : calcul de l'énergie de liaison nucléaire. 2.3 Paraboles de masse des isobares 2.4 Modèle du gaz de Fermi 2.5 Modèle des couches de nucléons Chp3 Loi de décroissance radioactive & radioactivité naturelle 3.1 Introduction 3.2 Cas d'un seul élément radioactif se désintégrant vers un élément stable 3.3 Mélange de plusieurs radio-isotopes 3.4 Instabilité multiples 3.5 Filiations radioactives 3.6 Radioactivité naturelle 3.7 Découverte de la radioactivité artificielle 3.8 Elements transuraniens 3.9 Unités employées en dosimètrie Chp4 Réactions nucléaires 4.1 Définitions 4.2 Diffusion élastique : cinématique & dynamique 4.3 Réactions nucléaires à 2 corps : hypothèse du noyau composé 4.4 Lois de conservation dans les réactions nucléaires 4.5 Section efficace coefficient d'absorption 4.6 Etats nucléaires résonnants produits par l'interaction forte 4.7 Niveaux d'excitation du noyau "Y": spectre en énergie des particules "b" émises 4.8 Schémas de réactions nucléaires 4.9 Activation d'une cible 4.10 Interactions directes dites de "stripage" de projectiles légers Chp5 Principaux modes de désintégration 5.1 Types de désintégration 5.2 La radioactivité α 5.3 Transitions induites par l'interaction faible : désintégrations β 5.4 Autre processus d'interaction faible : la capture électronique 5.5 Transitions induites par l'interaction électromagnétique : désexcitations γ et isomérie Chp6 Fission 6.1 Le phénomène de fission 6.2 Conditions de fission 6.3 Section efficace de fission 6.4 Réactions en chaîne & réacteurs Chp7 Interactions des radiations avec la matière 7.1 Types d'interactions 7.2 Particules chargées lourdes 7.3 Electrons et positrons 7.4 Photons 7.5 Neutrons

3 0-3 Introduction La physique nucléaire occupe une place à part dans l étude des différents niveaux d organisation de la matière. Ses potentialités d application dans les domaines militaire et énergétique ont favorisé son développement qui fut extrêmement rapide, ce qui a permis aux physiciens de disposer de moyens expérimentaux considérables dès la fin des années De la compréhension de la structure des noyaux atomiques et des interactions responsables de la stabilité ou de l instabilité des divers isotopes jusqu à l astrophysique et aux applications médicales ou énergétiques, elle couvre aujourd hui un domaine de recherche aussi vaste que varié. Jusqu'en 1895, l'hypothèse des atomes avait permis d'expliquer, d'une manière consistante et satisfaisante, les phénomènes physiques et chimiques au niveau macroscopique : il s'agissait encore des propriétés globales de la matière. La découverte successive des rayons X, de la radioactivité et des électrons allait permettre de passer au niveau microscopique, c'est-à-dire d'étudier les atomes un à un et d'explorer leur structure. Cette mutation profonde allait d'abord être expérimentale A la fin de l'année 1895, à Würzburg en Allemagne, Wilhelm Roentgen 1 découvre les rayons X. Henri Becquerel 2, spécialiste de la luminescence (fluorescence - phosphorescence), va exposer au soleil un sel phosphorescent d'uranium. Il découvre, le 1er mars 1896, que le sel d'uranium émet spontanément un rayonnement pénétrant, qui impressionne les plaques photographiques, même en l'absence d'excitation par la lumière solaire. Il constate par la suite que ce rayonnement est capable d'électriser (on dira par la suite «ioniser») l'air et que son intensité ne diminue pas au cours des mois suivants. Il montre que cette faculté d'émettre des rayons est une propriété intrinsèque de l'élément uranium ; il les appelle rayons uraniques. Au début de 1898 à Paris, Marie Curie 3 commence dans un hangar de l'école de physique et chimie un travail de thèse de doctorat sur les rayons de Becquerel. A l'aide d'une chambre d'ionisation reliée à un électromètre et à un quartz piézo-électrique, elle examine systématiquement un grand nombre de composés chimiques et de minéraux, et découvre que les minéraux d'uranium, telle la pechblende, émettent plus de rayonnements que l'uranium luimême. Elle déduit de ce fait remarquable que ces substances contiennent, en très petite quantité, un élément beaucoup plus actif que l'uranium. C'est alors que Pierre Curie joint ses efforts à ceux de sa femme pour parvenir à isoler l'élément radioactif inconnu et à en déterminer les propriétés. A cette occasion, Marie Curie invente le mot radioactivité. Pour réaliser cette séparation, ils ont recours aux méthodes traditionnelles de la chimie, mais parviennent à suivre et à concentrer le corps recherché à l'aide de son rayonnement dans les réactions chimiques successives. En juillet 1898, ils découvrent ainsi le polonium et, en décembre de la même année, le radium. C'était, à l'époque, le plus actif des radioéléments que l'on pouvait tout juste voir et peser. 1 Lauréat du premier Prix Nobel de Physique en 1901, pour la découverte des rayons X. 2 Lauréat du Prix Nobel de Physique en Lauréate du Prix Nobel de Physique en 1903 conjointement avec Pierre Curie et Henri Becquerel, pour la découverte de la radioactivité. Lauréate du Prix Nobel de Chimie en 1911, pour la découverte du radium et du polonium et pour la fabrication de composés du radium.

4 0-4 Certains des rayonnements émis étaient très facilement absorbés : on les appela rayons alphas; d'autres, plus pénétrants, étaient facilement déviés par un champ magnétique : on les baptisa rayons bêtas. Un peu plus tard, P. Villard montra qu'il y avait également des rayonnements très pénétrants, non déviables, analogues aux rayons X, qui furent dénommés rayons gammas. H. Becquerel et d'autres physiciens montrèrent que les rayons bêtas étaient des électrons, particules qui avaient été identifiées en 1897, en Grande-Bretagne, par J.J. Thomson. Mais d'où provenait donc l'énergie de ces rayons, en apparence inépuisable? La réponse vint de Montréal où Ernest Rutherford 4 et Frédérick Soddy montrèrent expérimentalement, en 1902, que la radioactivité est une transmutation spontanée d'un élément chimique en un autre avec émission de rayonnement. Ces transmutations ont lieu plus ou moins rapidement, selon un temps caractéristique, que l'on appelle la période du radioélément. Il fallait encore démontrer que le radium était bien un élément chimique comme un autre, l'isoler en quantité pondérable et déterminer son poids atomique. C'est ce que fit, à partir de plusieurs tonnes de matière première, Marie Curie, qui se vit attribuer en 1911, à la suite de ce travail exténuant, un deuxième prix Nobel, de chimie, après celui qu'elle avait obtenu en Physique... La découverte du noyau atomique entre 1909 et 1911, par Ernest Rutherford, Hans Wilhelm Geiger et Ernest Marsden, dans le laboratoire de Manchester, marque la naissance officielle de la physique nucléaire. Ernest Rutherford montra par la suite que les rayons alpha étaient des atomes d'hélium épluchés de leurs électrons. En 1932, James Chadwick 5 montra que le rayonnement ultrapénétrant, découvert quelques années plus tôt par Hans Bothe et étudié par Irène Curie et Frédéric Joliot 6 est constitué d une nouvelle particule : le neutron. Protons et neutrons apparaissaient ainsi comme les briques essentielles de la matière. Les travaux suivants de Chadwick l'amenèrent à envisager la présence, dans les noyaux, d une interaction très intense capable de lier les protons et les neutrons : l interaction nucléaire forte. La physique nucléaire allait alors se développer très rapidement. La radioactivité n'a pas été inventée par l'homme, c'est un phénomène naturel." référence: 4 Lauréat du Prix Nobel de Chimie en 1908 pour la chimie des substances radioactives et la désintégration des éléments. 5 Lauréat du Prix Nobel de Physique en 1935 pour sa découverte du neutron. 6 Lauréats du Prix Nobel de Chimie en 1935 pour la découverte de la radioactivité artificielle.

5 0-5 En 1934, Frédérique et Irène Joliot-Curie découvrirent à Paris la radioactivité artificielle, ouvrant la voie à la synthèse des isotopes radioactifs dont les applications seront très précieuses. Enfin, en 1939, un autre phénomène fondamental fut mis en évidence : la fission (O. Hahn 7 et F. Strassmann, Berlin) qui conduira aux applications énergétiques et militaires de l'atome (en réalité du noyau). Au cours de la seconde moitié du XX ième siècle, le développement de grands centres de recherche a vu la construction d'accélérateurs de protons et d'électrons de plus en plus performants. En physique nucléaire, ces nouveaux moyens ont permis d'étudier intensivement la structure nucléaire, par collisions entre ces projectiles et toutes sortes de noyaux-cibles. Ces études ont principalement mis en jeu les techniques de spectroscopie nucléaire (mesure des états d'énergie du noyau), et ont conduit à l'élaboration de modèles nucléaires, représentant le noyau comme constitué de particules réagissant de façon indépendante (modèle des couches), ou collective (modèle collectif dérivé du modèle de la goutte liquide). La nature éminemment complexe du noyau, ensemble comprenant de un à 250 particules nucléons, elles-mêmes composites, s'est révélée progressivement. Ainsi, fin des années 60 (SLAC /USA) début des années 70 (CERN EUROPE), il est apparu que le proton et le neutron sont constitués de trois quarks, particules actuellement considérées comme élémentaires, liés par des échanges de bosons de masse nulle, baptisés gluons. D'autre part, en utilisant comme projectiles des noyaux lourds de très haute énergie (ultra-relativistes), on réussit à produire un nouvel état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons sont "déconfinés" et constituent un "plasma" (mélange quark-gluon) analogue à celui que l'on obtient en portant un gaz à très haute température (mélange ions-électrons). La synthèse de nouveaux noyaux a constitué un thème permanent de recherche, consacré par l'introduction, à la fin des années 60 du terme "noyaux exotiques ", qui désigne les noyaux radioactifs très éloignés de la stabilité. Plus de 2500 noyaux ont ainsi été synthétisés par l'homme depuis le premier isotope artificiel, en Pour renforcer l'arsenal des projectiles disponibles pour la physique nucléaire, on utilise désormais des faisceaux exotiques constitués de tels isotopes radioactifs. 7 Lauréat du Prix Nobel de Chimie en 1944 pour la découverte de la fission des éléments lourds.

6 0-6 Références O. Pingot, Physique nucléaire, notes de cours, année académique J. Franeau, Physique - tome second, Leilens Ed., 1980 B. Gallez, Utilisation des radionucléides en pharmacie et médecine, notes de cours, Université Catholique de Louvain, Ecole de Pharmacie. L. Valentin, physique subatomique : noyaux et particules, Hermann, 1975 H.A. Enge, Introduction à la physique nucléaire, Masson et C ie, 1972 H.A. Enge, M.R. Wehr, J.A. Richards, Introduction to atomic physics, Addison-Wesley Publishing Company, 1972 W.E.Meyerhof, Elements of Nuclear Physics, McGraw-Hill Book Company, 1967 D. Blanc, Précis de Physique Nucléaire, Dunod, 1999 Joseph Magill et Jean Galy, Radioactivity Radionuclides Radiation, Springer,