Noyau atomique

Le noyau d'un atome est la très petite zone dense d'un atome, en son centre constitué de nucléons ( protons et neutrons ). La taille (diamètre) du noyau est dans la gamme de 1,6 fm (10 ^-15 m) (pour un proton dans l'hydrogène léger) à environ 15 fm (pour les atomes les plus lourds, comme l'uranium). Ces dimensions sont beaucoup plus petites que la taille de l'atome lui-même par un facteur d'environ 23 000 (uranium) à environ 145 000 (hydrogène). Presque toute la masse d'un atome est constitué de protons et de neutrons dans le noyau avec une très petite contribution de la mise en orbite des électrons . L'étymologie du noyau terme est de 1704 signifie «noyau d'un écrou". En 1844, Michael Faraday a utilisé le terme pour désigner le "point central d'un atome". Le sens atomique moderne a été proposée par Ernest Rutherford en 1912. L'adoption du terme «noyau» de la théorie atomique, cependant, n'a pas été immédiate. En 1916, par exemple, Gilbert N. Lewis a déclaré, dans son célèbre article L'Atom et la molécule, que «l'atome est composé du noyau et un atome extérieure ou shell".

Introduction

Maquillage nucléaire

Le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons (deux types de baryons) liés par la force nucléaire. Ces baryons sont en outre constituées de particules sub-atomiques fondamentales appelées quarks liés par la forte interaction.

Isotopes et des nucléides

L' isotope d'un atome est déterminée par le nombre de neutrons dans le noyau. Différents isotopes d'un même élément ont très semblables chimiques propriétés. Différents isotopes dans un échantillon d'un produit chimique particulier peuvent être séparés en utilisant un centrifugation ou en utilisant un spectromètre de masse . La première méthode est utilisée dans la production de uranium enrichi à partir d'un échantillon d'uranium régulier, et la seconde est utilisée dans datation au carbone.

Le nombre de protons et de neutrons déterminent ensemble le nucléide (type de noyau). Les protons et les neutrons ont des masses à peu près égales, et leur nombre combiné, le nombre de masse, est approximativement égale à la masse atomique d'un atome. La masse combinée des électrons est très faible par rapport à la masse du noyau, étant donné que les protons et les neutrons pèsent environ 2000 fois plus que les électrons.

Histoire

La découverte de l' électron par JJ Thomson était la première indication que l'atome avait la structure interne. Au tournant du 20e siècle, le modèle accepté de l'atome était JJ Thomson "Plum pudding" modèle dans lequel l'atome était une grosse boule chargée positivement avec de petits électrons chargés négativement embarqués à l'intérieur de celui-ci. Au tournant du siècle physiciens ont également découvert trois types de rayonnement provenant atomes, qu'ils nommèrent alpha, bêta, et rayonnement gamma. Expériences en 1911 par Lise Meitner et Otto Hahn, et en James Chadwick en 1914 a découvert que la désintégration bêta spectre était continu plutôt que discrète. Autrement dit, les électrons ont été éjectés de l'atome avec une gamme d'énergies, plutôt que les quantités discrètes d'énergie qui ont été observés en gamma et alpha se désintègre. Ce était un problème pour la physique nucléaire à l'époque, car il a indiqué que l'énergie n'a pas été conservé dans ces désintégrations. Le problème serait plus tard mener à la découverte du neutrino (voir ci-dessous).

En 1906, Ernest Rutherford a publié «Radiation de la particule α de Radium en passant à travers la matière" dans Philosophical Magazine (12, p 134-46). Geiger a développé ce travail dans une communication à la Société royale (Proc. Roy. Soc 17. Juillet, 1908) avec des expériences lui et Rutherford avait fait passer des particules α dans l'air, une feuille d'aluminium et feuille d'or. Plus de travail a été publié en 1909 par Geiger et Marsden (Proc. Roy. Soc. A82 p 495-500) et le travail encore considérablement élargi a été publié en 1910 par Geiger (Proc. Roy. Soc. 1 février 1910). En 1911-2 Rutherford allait devant la Société royale pour expliquer les expériences et proposer la nouvelle théorie du noyau atomique comme nous le comprenons maintenant.

Vers la même époque que ce qui se passait ( 1909 ) Ernest Rutherford a effectué une remarquable expérience dans laquelle Hans Geiger et Ernest Marsden sous sa supervision tiré particules alpha (noyaux d'hélium) à un film mince de l'or feuille. Le modèle de plum-pudding prédit que les particules alpha devraient sortir de la feuille avec leurs trajectoires étant au plus légèrement fléchis. Il a été choqué de découvrir que quelques particules ont été dispersées dans de grands angles, même complètement en arrière dans certains cas. La découverte, en commençant par l'analyse de Rutherford des données en 1911, a finalement conduit au modèle Rutherford de l'atome, dans lequel l'atome a un très petit noyau, très dense constitué de particules chargées positivement lourds avec des électrons embarqués afin d'équilibrer le responsable. A titre d'exemple, dans ce modèle, l'azote-14 est composée d'un noyau 14 avec des protons et des électrons 7, et le noyau est entouré d'électrons plus 7 orbite.

Le modèle de Rutherford a plutôt bien fonctionné jusqu'à ce que des études de spin nucléaire ont été effectués par Franco Rasetti au California Institute of Technology en 1929 . En 1925 il a été connu que les protons et les électrons ont une rotation de 1/2, et dans le modèle de Rutherford azote-14 les 14 protons et six des électrons devraient avoir jumelé pour annuler les uns les autres tourner, et l'électron finale devraient avoir quitté le noyau avec un spin de 1/2. Rasetti découvert, cependant, que de l'azote a une 14 rotation d'un.

En 1930 Wolfgang Pauli a été incapable d'assister à une réunion à Tübingen, et a plutôt envoyé une lettre célèbre avec l'introduction classique "Cher radioactifs Mesdames et Messieurs". Dans sa lettre Pauli a suggéré que peut-être il y avait une troisième particule dans le noyau qu'il a appelé le «neutrons». Il a suggéré que ce était très léger (plus léger que l'électron), ne avait pas de responsable, et qu'il n'a pas facilement interagir avec la matière (ce est pourquoi il ne avait pas encore été détecté). De cette façon désespérée à résoudre à la fois le problème de la conservation de l'énergie et de la rotation de l'azote-14, le premier parce que "le neutron" de Pauli emportait l'énergie supplémentaire et le second parce qu'une "neutron" extra appariés avec l'électron dans l'azote 14 noyau lui donnant tourner une. «Le neutron" de Pauli a été rebaptisé neutrino (italien pour petit neutre) par Enrico Fermi en 1931 , et après une trentaine d'années, il a finalement été démontré qu'un neutrino est vraiment émis lors de la désintégration bêta.

En 1932 Chadwick réalisé que le rayonnement qui avait été observé par Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène et Frédéric Joliot-Curie était en fait due à une particule massive qu'il a appelé le neutron. Dans la même année Dmitri Ivanenko suggéré que les neutrons sont en fait des particules de spin 1/2 et que le noyau contenait neutrons et qu'il n'y avait pas d'électrons en elle, et Francis Perrin a suggéré que les neutrinos ne sont pas des particules nucléaires, mais ont été créés lors de la désintégration bêta. Pour couronner l'année sabbatique, Fermi a présenté une théorie du neutrino Nature (qui les éditeurs rejetés pour être «trop éloignée de la réalité"). Fermi a continué à travailler sur sa théorie et publié un papier dans 1934 qui a placé le neutrino sur base théorique solide. Dans la même année Hideki Yukawa a proposé la première théorie importante de la force forte d'expliquer comment le noyau tient ensemble.

Avec papiers Fermi et Yukawa est le modèle moderne de l'atome était complète. Le centre de l'atome contient une boule serrée de neutrons et de protons, qui est maintenu par la force nucléaire forte. Noyaux instables peuvent subir une désintégration alpha, dans lequel ils émettent un noyau d'hélium énergique, ou la désintégration bêta, dans lequel ils éjectent un électron (ou positrons). Après l'une de ces désintégrations le noyau résultante peut être laissé dans un état excité, et dans ce cas il se désintègre à son état fondamental en émettant des photons de haute énergie (désintégration gamma).

L'étude des forces nucléaires forte et faible a conduit les physiciens à entrer en collision les noyaux et électrons à des énergies toujours plus élevées. Cette recherche est devenue la science de la physique des particules , le joyau de la couronne de qui est le modèle standard de la physique des particules qui unifie les forces fortes, faibles et électromagnétiques.

La physique nucléaire moderne

Un noyau léger peut contenir des centaines de nucléons qui signifie que, avec une approximation elle peut être traitée comme un système classique , plutôt que la mécanique quantique une. Dans le résultantes modèle de goutte de liquide, le noyau a une énergie qui provient en partie de la tension de surface et en partie à partir de la répulsion électrique des protons. Le modèle de goutte de liquide est capable de reproduire de nombreuses caractéristiques de noyaux, y compris la tendance générale de énergie de liaison par rapport à nombre de masse, ainsi que le phénomène de fission nucléaire .

Superposée sur cette image classique, cependant, sont les effets de la mécanique quantique, qui peuvent être décrits en utilisant le nucléaire modèle coquille, développé en grande partie par Maria Goeppert-Mayer. Noyaux avec certains nombres de neutrons et de protons (la nombres magiques 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) sont particulièrement stables, parce que leurs coquilles sont remplis.

Une grande partie de la recherche actuelle en physique nucléaire a trait à l'étude des noyaux dans des conditions extrêmes telles que la haute spin et de l'énergie d'excitation. Les noyaux peuvent également avoir des formes extrêmes (semblable à celui de ballons de football américain ) ou des rapports extrêmes neutrons à protons. Les expérimentateurs peuvent créer de tels noyaux utilisant des réactions de fusion ou de transfert du nucléon induites artificiellement, utilisant des faisceaux d'ions d'un accélérateur. Poutres avec des énergies encore plus élevées peuvent être utilisés pour créer des noyaux à des températures très élevées, et il ya des signes que ces expériences ont produit un transition de phase de la matière nucléaire ordinaire à un nouvel état, le plasma quark-gluon, dans lequel les quarks se mêlent les uns aux autres, plutôt que d'être séparés en triolets car ils sont en neutrons et de protons.

Sujets modernes en physique nucléaire

Changements spontanés d'un nucléide à l'autre: la désintégration nucléaire

Si un noyau a trop ou trop peu de neutrons, il peut être instable et se désintègre après une certaine période de temps. Par exemple, l'azote -16 atomes (7 protons, neutrons 9) désintégration bêta oxygène -16 atomes (8 protons, 8 neutrons) en quelques secondes d'être créé. Dans ce désintégration d'un neutron dans le noyau d'azote est transformé en un proton et un électron par le force nucléaire faible. L'élément des changements atomiques car se il avait déjà sept protons (ce qui rend l'azote), il a maintenant huit (ce qui le rend oxygène). De nombreux éléments ont plusieurs isotopes stables pendant des semaines, des années, voire des milliards d'années.

La fusion nucléaire

Lorsque deux noyaux légers entrent en contact très étroit avec l'autre, il est possible pour la force forte pour fusionner les deux ensemble. Il faut beaucoup d'énergie pour pousser les noyaux assez proches ensemble pour la force forte pour avoir un effet, de sorte que le processus de fusion nucléaire ne peut avoir lieu à des températures très élevées ou de fortes densités. Une fois que les noyaux sont assez proches les unes des la force forte surmonte leur répulsion électromagnétique et les écrase dans un nouveau noyau. Une très grande quantité d'énergie est libérée lorsque les noyaux légers fusionnent parce que le énergie par nucléon augmentations liaison avec nombre de masse jusqu'à nickel -62. Stars comme notre soleil sont alimentés par la fusion de quatre protons dans le noyau d'hélium, deux positons, et deux neutrinos. La fusion non contrôlée de l'hydrogène en hélium est connu comme un arme thermonucléaire. Recherche de trouver une méthode économiquement viable d'utiliser l'énergie d'une réaction de fusion contrôlée est actuellement menée par divers établissements de recherche (voir JET et ITER).

Fission nucléaire

Pour les noyaux plus lourds que le nickel -62 la énergie de liaison par nucléon diminue avec la nombre de masse. Il est donc possible pour l'énergie d'être libéré si un noyau lourd se brise en deux plus légers. Ce fractionnement d'atomes est connu comme la fission nucléaire.

Le processus de désintégration alpha peut être considéré comme un type spécial de spontanée fission nucléaire . Ce procédé produit une fission hautement asymétrique du fait que les quatre particules qui constituent la particule alpha sont étroitement liés en particulier à l'autre, ce qui rend la production de ce noyau dans fission particulièrement susceptibles.

Pour certains des noyaux plus lourds qui produisent des neutrons sur la fission, et qui également facilement absorber les neutrons pour lancer la fission, un type de la fission des neutrons à l'initiative d'auto-inflammation peut être obtenu, dans un soi-disant réaction en chaîne. [Les réactions en chaîne ont été connus dans la chimie avant la physique , et en fait de nombreux processus familiers comme les incendies et les explosions chimiques sont des réactions en chaîne chimiques]. La fission ou «nucléaire» réaction en chaîne, en utilisant des neutrons de fission-produit, est la source d'énergie pour les centrales nucléaires et les centrales nucléaires de type bombes de fission comme les deux que le États-Unis utilisé contre Hiroshima et Nagasaki à la fin de la Seconde Guerre mondiale . Noyaux lourds tels que l'uranium et le thorium peut subir fission spontanée, mais ils sont beaucoup plus susceptibles de subir la décomposition par la désintégration alpha.

Pour une réaction en chaîne de neutrons à l'initiative de se produire, il doit y avoir un masse critique de l'élément présent dans un certain espace sous certaines conditions (ces conditions lente et conserver neutrons pour les réactions). Il existe un exemple connu d'un Réacteur de fission nucléaire naturel, qui était actif dans deux régions du Oklo, au Gabon, en Afrique, il ya plus de 1,5 milliards d'années. Mesures d'émission de neutrino naturel ont démontré que près de la moitié de la chaleur émanant des résultats de base de la terre à partir de la désintégration radioactive. Cependant, on ne sait pas si tout cela résulte de fission des réactions en chaîne.

Production d'éléments lourds

Comme l'Univers refroidi après la big bang , il est finalement devenu possible pour les particules que nous savons qu'elles existent. Les particules les plus communs créés dans le big bang qui sont encore facilement observables à nous aujourd'hui étaient protons ( hydrogène ) et des électrons (en nombre égal). Certains éléments plus lourds ont été créés comme les protons sont entrés en collision les uns avec les autres, mais la plupart des éléments lourds que nous voyons aujourd'hui a été créé à l'intérieur des étoiles au cours d'une série d'étapes de fusion, comme le chaîne proton-proton, le Cycle CNO et de la triple processus-alpha. Progressivement éléments plus lourds sont créés au cours de la évolution d'une étoile. Depuis l'énergie de liaison par nucléon pics autour du fer, de l'énergie ne est libéré dans les processus de fusion qui se produisent dessous de ce point. Depuis la création de noyaux plus lourds par fusion coûte de l'énergie, stations de nature à le processus de capture de neutrons. Neutrons (en raison de leur absence de charge) sont facilement absorbés par un noyau. Les éléments lourds sont créés soit par un processus de capture de neutrons lents (le procédé dit s) ou par le ou un processus rapide r. Le processus de s se produit dans pulsation thermique étoiles (appelé AGB ou asymptotique étoiles Giant Branch) et prend des centaines de milliers d'années pour atteindre les éléments les plus lourds de plomb et de bismuth. Le processus de r est supposée se produire dans des explosions de supernova en raison du fait que les conditions de haute température, haute flux de neutrons éjectés et la matière sont présents. Ces conditions stellaires font le neutron successive capture très rapide, impliquant des espèces très riches en neutrons qui a ensuite désintégration bêta d'éléments plus lourds, en particulier aux points d'attente dits qui correspondent aux nucléides plus stables avec des coquilles de neutrons fermé ( nombres magiques). La durée du processus de r est typiquement dans la gamme de quelques secondes.