Chp généralités -. Constitution de la matière Chapitre : généralités.. Les particules élémentaires de matière : électrons & nucléons (quarks) Les atomes sont formés d électrons chargés négativement gravitant autour d un noyau positif ; les noyaux sont formés de nucléons : protons positifs et neutrons électriquement neutres. Molécules Bien que les protons se repoussent par interaction électrique, les noyaux sont stables car s exerce entre les nucléons une force de cohésion très attractive, beaucoup plus intense que la répulsion électrique mais dont la portée est très courte : 2 0 5 m. Force nucléaire forte entre un proton et un neutron Force nucléaire entre 2 p >>>> + Répulsion électrostatique + Les nucléons sont des particules composites comprenant 3 particules considérées à l heure actuelle comme ponctuelles : les quarks. L interaction qui s exerce, dans chaque nucléon, entre ces quarks, est l interaction FORTE "de couleur"; la force de cohésion nucléaire est le résiduel de cette interaction à l extérieur du nucléon. C est la même situation qu en physique atomique : l interaction entre les atomes d une molécule est le résiduel, à l extérieur des atomes, de l interaction électrique qui s exerce entre le noyau et les électrons qui l entourent; cela est vrai qu il s agisse d électro-valence (échange d un électron entre 2 atomes) ou de covalence (mise en commun d électrons par 2 atomes). Il est à noter que les quarks n existent pas à l état libre et qu ils portent des charges électriques fractionnaires (+2e/3 pour le quark u "up" & e/3 pour le quark d "down"). Bien qu étant constitués de quarks, protons (uud) et neutrons (udd) sont considérés comme les constituants de base du système nucléaire (de même que les atomes sont les constituants de base des gaz rares). Découverte de la radioactivité /Becquerel-896, découverte de l'électron /Thomson -897, découverte d un noyau minuscule au centre de l atome /Rutherford-9 & découverte des neutrons /Chadwick-932.
Chp généralités - 2..2 Les 4 interactions fondamentales Toute action à distance s effectue par échange d énergie. Au niveau microscopique, 2 systèmes qui interagissent le font par échange de particules transportant une quantité bien définie d énergie ou quantum : E = hν. n π p Interaction électromagnétique : assure la cohésion de l'atome; la particule échangée dans cette interaction est le photon (désigné par la lettre grecque γ), de masse au repos nulle et d'énergie E=hν (h = constante de Planck = 6,63 0 34 J.s ou h = h/2π = 6,58 0 22 MeV.s). Interaction nucléaire forte : assure la cohésion du noyau; les particules échangées sont des "mésons - pions" (désignées par la lettre grecque π et possédant une masse au repos valant /0 de la masse du nucléon). Interaction nucléaire faible : beaucoup moins intense que l interaction forte et que l interaction électromagnétique et de très courte portée; elle joue un rôle dans les phénomènes de radioactivité: elle se manifeste dans la désintégration bêta de noyaux instables. Les particules échangées à ce niveau sont des particules très massives : les BOSONS W + ou W, dont les masses valent 00 fois la masse du nucléon. désintégration du neutron libre Interaction gravitationnelle: toujours attractive, agit au niveau de la masse des particules; elle est responsable de la chute des corps et du mouvement des planètes; elle est de beaucoup la moins intense des 4 interactions. Les particules échangées seraient des GRAVITONS sans masse qui restent hypothétiques.
Chp généralités - 3 Tableau. les 4 interactions fondamentales Interaction Agit sur Rôle Particule échangée Portée Intensité particules = boson relative Nucléaire forte Nucléons Cohésion du noyau Bosons π Noyau ( 2 fm) Nucléaire faible Toutes Radioactivité β Bosons W + W 2 0 3 fm 0 3 Electromagnétique Chargées Cohésion de l'atome "Radioactivité γ" Photon γ Infinie 0 2 gravitationnelle Toutes Mouvement planètes Gravitons? infinie 0 38.2 Fiche signalétique de l'atome et du noyau L atome contient 2 types de particules : électrons et nucléons (protons & neutrons). Tableau.2 : contenu d'un atome Particule Nombre charge électrique masse au repos Electron Z e 0,5 MeV/c 2 proton Z +e 938,28 MeV/c 2 neutron N = A Z 0 939,57 MeV/c 2 spin ½ ½ ½ Particules = fermions auxquels s'applique le principe d'exclusion de Pauli avec e =,6 0 9 C Z = nombre atomique = caractéristique de l'élément chimique Exemples : Z = hydrogène Z = 6 carbone Z = 6 soufre Z = 92 uranium A = nombre de masse = nombre de nucléons : Z protons et N = (A-Z) neutrons A = Z + N le noyau contient : Z protons et N neutrons symbole du noyau (et de l'atome): A la molécule s'écrit : Z X n où n désigne le nombre d'atomes X qu'elle contient. on peut aussi écrire en haut à droite l'état d'ionisation de l'atome : A Z X ++ par généralisation, on écrit souvent : pour le proton : p pour le neutron : 0 n pour l'électron : 0 e & pour le positron : 0 + e. Relations importantes : m n > m p avec m n m p =,29 MeV/c 2 m n m p > m e (0,5 MeV/c 2 ) M H = m p + m e = 938,79 MeV/c 2 m n > M H A Z X
Chp généralités - 4.3 Unités et ordres de grandeur.3. Dimensions nucléaires Rappelons que la dimension de l atome d hydrogène est de l ordre de 0 0 m (Å). Quant aux rayons des noyaux, ils sont de l ordre quelques fm ( fermi ou femtomètre [fm] = 0-5 m). Ceci se déduit par exemple de la variation de la densité volumique de charge du noyau en fonction de la distance radiale (figure de gauche). Le nucléon a quant à lui une dimension de l'ordre de fm. Ainsi, si l'atome se dilatait à une distance de 00m (terrain de foot), on observerait le noyau comme un "petit pois" et le nucléon comme un "dixième de petit pois". Q/V R 0 R(fm) 5 Le rayon nucléaire varie avec le nombre de masse A selon la loi approximative : R 0 = r 0 A /3 avec r 0 = Cte,2fm, comme le prouve la figure de droite..3.2 Densités nucléaires La densité nucléaire se définit comme le nombre de nucléons par unité de volume : c est une quantité presque constante pour tous les noyaux : 0,7 0 45 nucléons/m 3 = 0,7 nucléons/fm 3. N.B. Cette quantité représente une masse volumique énorme d'environ 2,7 0 7 kg/m 3. Comparée à la masse volumique la plus élevée d un corps macroscopique ( 22500 kg/m 3 ), on constate que les noyaux sont 3 ordres de grandeur plus denses. La masse volumique de l atome, dont le rayon est 0 000 fois plus grand que celui du noyau est de l ordre de 200 000 kg m 3..3.3 Energies Dans les molécules, les énergies de liaison des atomes vont de quelques ev à 0 ev. Exemples : liaison H H dans molécule H 2 : 4,52 ev / liaison C H dans les alcanes : 4,8 ev liaison O=O : 5,08 ev / liaison N N : 9,76 ev. Au-dessous se situent les énergies de la théorie cinétique des gaz et des neutrons dits thermiques (énergie cinétique la plus probable de 0,025 ev @20 C). Au-dessus, on trouve les rayons X qui sont les photons émis lors des transitions entre niveaux électroniques (ou niveaux atomiques), ils ont des énergies de quelques kev à quelques centaines de kev. A /3
Chp généralités - 5 La gamme du MeV est celle de la physique nucléaire, des phénomènes dits de radioactivité : émission de rayonnements α, β ou γ. Tableau.3 : nature des rayonnements Particules α Noyaux d'hélium (2p + 2n) Particules β Electrons (β ) ou antiélectrons (β + ) Particules γ Photons provenant de transitions nucléaires ( énergie MeV) Extrait de la thèse de Mme Curie, 904: déflexion des rayonnements α β γ dans un champ magnétique En physique des particules, on sonde la matière (distances actuellement explorées de 0 3 fm) en utilisant des particules ayant une énergie de l ordre de 000 GeV (4 TeV avec le nouveau collisionneur LHC du CERN). kilo ev ( kev) = 0 3 ev Méga ev ( MeV) = 0 6 ev Giga ev ( GeV) = 0 9 ev Téra ev ( TeV) = 0 2 ev.3 Nomenclature : isotopes, isobares, isotones et nuclides Pour un même élément (même Z, même nombre de protons) il peut arriver que plusieurs noyaux existent, qui diffèrent seulement par le nombre de neutrons ( A diffère). Ces noyaux ont des masses différentes mais appartiennent tous à la même case du tableau de Mendeleïev. On qualifie les atomes correspondants d isotopes des mots grecs isos (égal) et topos (lieu). 2 Exemples: / l'hydrogène naturel contient du H (99,985 %), du deutérium H (0,05%) et des traces 3 de tritium H radioactif. 2 3 4 2/ le carbone naturel contient : 6 C (98,89 %) 6 C (, %) et des traces de 6 C radioactif. 238 23 234 3/ l'uranium naturel contient 3 isotopes radioactifs : 92 U (99,275 %) 5 92 U (0,720 %) 92 U (0,005 %).
Chp généralités - 6 Certains éléments naturels comptent de nombreux isotopes (cf. tables). Les propriétés chimiques des isotopes sont quasi identiques 2 puisque le nombre d électrons est le même; pour les séparer, il faut employer les petites différences de leurs masses atomiques (spectromètre de masse). Par contre les propriétés nucléaires d un isotope étant liées à la structure du noyau, un écart dans le nombre des neutrons se traduit par des différences importantes dans ces propriétés. En particulier, on distingue pour chaque élément, d une part, les isotopes stables tels que 2 C dont le noyau ne subit aucune modification au cours du temps et, d autre part, les isotopes radioactifs ( appelés radioisotopes) comme le 4 C dont le noyau instable se transforme spontanément en un autre noyau par émission de rayonnement. Les isobares (des mots grecs isos & baros - pesanteur) ont le même nombre de masse A c-à-d le même nombre de nucléons mais un Z différent; ils appartiennent donc à des éléments différents. 4 4 24 64 64 Exemples : 6 C et 7 N 24 Na et 2 Mg 64 28 Ni, 29 Cu et 30 Zn Les isotones ont le même nombre de neutrons N. Les nuclides ou nucléides représentent les espèces nucléaires c-à-d l ensemble des noyaux de tous les isotopes des éléments chimiques. Un nuclide est déterminé par la donnée des 2 nombres Z (espèce chimique - place dans le tableau de Mendeleïev) et A (isotope particulier de l élément considéré). 2 Exemple : H (nuclide le plus simple), 6 C,. On connaît actuellement 5 éléments chimiques, dont 90 éléments naturels et 25 créés artificiellement par l homme (ex: technétium (Z=43), plutonium (Z=94)). Chaque élément possédant plusieurs isotopes, stables ou radioactifs, on totalise plus de 3000 nuclides. Cf. Tableau ci-dessous & tableau annexé (éléments découverts en 996 : Z = 07 à 2 et en 999 : Z = 4,6 et 8). 2 Les petites différences observées proviennent des légers écarts entre les masses des atomes, ce qui peut avoir un effet sur les vitesses de réaction et les constantes d équilibre.
Chp généralités - 7 Les noyaux miroirs : isobares "voisins" dont les nombres Z et N diffèrent d'une unité. neutron proton Exemple : tritium et hélium 3.4 Les unités de masses atomiques (u.m.a. ou u) Pour exprimer une masse atomique, on la compare à une masse de référence adaptée à l'ordre de grandeur des masses atomiques. Convention : unité de masse atomique ou u.m.a. (ou encore u): = un douzième de la masse de l'atome de 2 C u.m.a. = M 2 C =,660 0 27 kg 2 masse atomique de l'isotope à 2 nucléons du carbone ( 2 C) = 2 u.m.a masses des atomes voisines des nombres de masse (nombres entiers): M( 7 Li) 7 u.m.a.. En vertu de la relation d'einstein (équivalence masse énergie), E = Mc 2 avec c = 3.0 8 ms, on tire que : u.m.a. = 4,492 0 0 J. Et puisque ev =,602 0 9 J, on a aussi : u.m.a. = 93,5 MeV. on a: m e = 0,000 55 uma m p =,007 uma m n =,008 uma. ou (rappel): m e = 0,5 MeV/c 2 m p = 938 MeV/c 2 m n = 940 MeV/c 2. NB En chimie, l'unité u.m.a. porte le nom de dalton. Pour obtenir la masse d'un noyau à partir de la masse atomique, il faut tenir compte de la masse des électrons de l'atome. Pour être tout à fait précis, il faudrait aussi tenir compte de leur énergie de liaison. Cependant, en première approximation, il n'est pas nécessaire de le faire car : - les électrons des couches périphériques des atomes ont une énergie de liaison de l'ordre de 0 ev ( 0 8 uma c-à-d de l'ordre de l'erreur commise sur la mesure des masses atomiques) - les électrons les mieux liés (e K ) ont quant à eux une énergie de liaison de l'ordre de plusieurs dizaines de kev, soit 0% de la masse d'un électron dans le cours, nous négligerons ce terme dans les calculs. Il est à noter qu'un spectrographe de masse fournit la masse des ions.
Chp généralités - 8.5 Plan "Z - N" et ligne de stabilité Pour les nucléides légers, la ligne moyenne de stabilité se situe autour de N = Z ; les noyaux stables les plus légers ont en moyenne autant de protons que de neutrons. Les nucléides plus lourds, à cause des forces de répulsion électrostatiques, présenteront un excès de neutrons la ligne de stabilité dévie de la diagonale du plan "Z N". L'excès de neutrons croît avec Z jusqu'à ce que, pour Z = 83 (Bi), les phénomènes de désintégration (émission alpha et fission) rendent les noyaux instables. il n'existe pas d'élément naturel stable dont le nombre de masse A dépasse 200. ISOTONES Nombre de neutrons N ISOBARES I S O T O P E S Cercles pleins : nuclides stables Cercles ouverts : nuclides radioactifs Nombre de protons Z
Chp généralités - 9 Il faut préciser que l'accumulation de nucléons dans un volume nucléaire ne peut pas avoir lieu sans limite : les nucléons qui viennent s'ajouter en surface n'interagissent plus avec suffisamment de nucléons "voisins" intérieurs de telle sorte que l'énergie de liaison est faible (cf.chp.2). Les noyaux super-lourds, que l'on peut produire artificiellement (par réaction nucléaire), comportant un grand nombre de nucléons sont par conséquent radioactifs : ils ont tendance à se transformer en noyaux plus légers (et donc plus stables) par radioactivité (α ou fission spontanée/ cf..8 et chp.5 & 6)..6 Energie de liaison nucléaire défaut de masse. La masse d'un noyau stable est inférieure à la somme des masses des nucléons libres le constituant : m < Z m + A Z m d d p b la différence : m Z m + A Z m s'appelle défaut de masse et est symbolisée par (A,Z). p b g ni Cette différence (quantité négative) correspond à la quantité d'énergie qui se dégagerait si le noyau était formé en rassemblant ses nucléons initialement séparés. A l'opposé, l'énergie de liaison du noyau, symbolisée par E b, est une quantité définie positive qui représente la quantité d'énergie à fournir au noyau pour séparer ses constituants; elle vaut : oc a f h tc 2 E = Z m + A Z m m b p n g < + Il est à retenir que le noyau est d'autant mieux lié, donc d'autant plus stable, que l'énergie moyenne de liaison par nucléon (E b /A) est grande. La figure ci-dessous montre la variation de E b /A, en fonction de A, pour les noyaux stables. Pour des noyaux légers (A < 20), la courbe est assez irrégulière et l'énergie de liaison moyenne par nucléon croît avec A, donc avec la masse. Pour A > 20, le rapport E b /A est sensiblement constant et vaut environ 8 MeV/nucléon ( % de la masse d'un nucléon). Cela signifie que l'énergie de liaison est proportionnelle au nombre de nucléons présents dans le noyau avec un facteur de proportionnalité de 8 MeV/A. n i 4 He E b /A
Chp généralités - 0 Le fer 56 Fe est le noyau le plus stable connu avec une valeur de 8,8 MeV/nucléon. Pour A > 56, l énergie de liaison décroît légèrement à mesure qu augmente le nombre de nucléons. Les maxima observés localement de E b /A (par exemple 4 He) s expliquent par l occupation complète de couches nucléaires par des protons et des neutrons (cf. 2.4). les particules α sont des édifices stables Une particule α c-à-d un noyau d hélium (2p + 2n) est un édifice très stable présentant une énergie de liaison de 28 MeV (4 nucléons 7 MeV par nucléon). Ces 28 MeV peuvent aussi se déterminer par la différence entre la masse du noyau He (4,003 uma) et la somme des masses des 2 protons et 2 neutrons (4,034 uma) E b = 4,034 4,003 = 0,03 uma 28 MeV. L énergie de liaison est une énergie potentielle importante. Cette énergie de liaison de plusieurs dizaines de MeV est énorme comparée à l énergie de liaison des molécules de quelques ev (cf..3.3). Ainsi, l énergie totale de liaison contenue dans N Av noyaux d He (4 g) est voisine de : 28 0 6 N Av,6 0 9 = 3000 GJ. N Av étant le nombre d'avogadro (6,022 0 23 mol ). Cette différence de 7 ordres de grandeur se retrouve dans les réactions nucléaires : la fission d un noyau 235 U produit 200 MeV environ alors que la rupture d une molécule de trinitrotoluène (TNT) produit moins de 0 ev..7 Modes de production d'énergie à partir des noyaux Insistons sur le fait qu un système nucléaire est d autant plus stable que son énergie de liaison est grande. S il évolue spontanément, c est toujours en augmentant E b, donc en augmentant sa masse (A < 56) ou en diminuant sa masse (A > 56); il y a alors production d énergie. Deux types de réactions nucléaires permettent ainsi d extraire l'énergie des noyaux :
Chp généralités -.8. LA FISSION : réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd (uranium, plutonium principalement) se sépare en 2 fragments de masse voisine. Cette fission peut être initiée pour un grand nombre de noyaux par l impact d un projectile, souvent d'un neutron. Lors de la fission, sont émis plusieurs neutrons rapides (c-à-d d'énergie cinétique égale à quelques MeV) susceptibles de déclencher de nouvelles fissions sur les noyaux voisins: une réaction en chaîne est possible. Chaque fission libère une énergie de l'ordre de 200 MeV. Ce phénomène est le principe des bombes A et des centrales nucléaires où, contrôlée, la fission permet de produire de l'énergie de manière continue (cf.chp. 6)..7. LA FUSION : réaction nucléaire dans laquelle 2 noyaux légers s'unissent en formant un élément plus lourd, avec éventuellement éjection d'un neutron (n) ou d'un proton (p). Les exemples les plus importants sont la fusion de 2 noyaux de deutérium ( 2 H ou d) en hélium 3 ( 3 He) ou en tritium (t ou 3 H), selon des processus très exoénergétiques : 2 2 3 d + d He+ n+ 38, MeV ou 2 2 3 d + d t + p+ 4 MeV suivi de la fusion deutérium tritium en hélium 4 : 2 3 4 d + t He+ n + 7, 6 MeV 2 2 0 0 Ces réactions, se produisant en particulier dans le soleil, sont également le principe des bombes thermonucléaires (ou bombe H). La difficulté de leur domestication tient au fait qu il faut réussir à rapprocher les noyaux ("atomes complètement ionisés") jusqu à des distances de quelques fm pour les initier. Cela impose de vaincre la répulsion électrostatique qui s exerce entre les charges positives, ce qui implique le maintien d une température de quelques milliards de degrés. Ainsi, en portant un milieu à cette température très élevée, il devient alors un gaz totalement ionisé (ou plasma) thermonucléaire. L énergie cinétique de certains noyaux est assez grande pour surmonter la barrière de potentiel électrique et la réaction de fusion peut se produire lors des chocs des noyaux les uns contre les autres. Il est à noter que d'importants fonds vont être dédicacés à ce type de recherche afin de mieux dominer ce domaine et réaliser ainsi un réacteur nucléaire "à fusion": projet ITER International Thermonuclear Experimental Reactor (cf. figure ci-contre), à Cadarache en France. http://www.iter.gouv.fr/