La physique nucléaire…

…Vers une physique à l’échelle des petites particules

Électrons, protons, neutrons, …

… et il y en a d’autres !

I - Préhistoire

(les grandes avancées du 19ème siècle qui ont permis aux physiciens du 20ème de s’intéresser sérieusement aux noyaux atomiques)

Faisceaux cathodiques (rappels)

Tubes de Crookes (1870) :

Thomson en 1894 : les rayons cathodiques plus lents que la lumière. Il s’agit donc d’un déplacement de particules matérielles.

Perrin en 1895 : charge négative pour ces particules (suite à des expériences de déviation)

Thomson 1897 : proposition d’une petite particule arrachée à l’atome, l’électron ( peu de succès à l’époque)

1895 : découverte des rayons XRayonnements électromagnétiques, de même nature que la lumière mais invisibles et manifestement beaucoup plus énergétiques… (ils impressionnent les plaques photographiques)

Roentgen « l’inabordable »…

La découverte des rayons X ? A l’aide de tubes de Crookes !

Madame Roentgen :

La découverte de la radioactivité(propriété d’émettre spontanément des radiations pénétrantes)

Henri Becquerel (1896) : des matériaux à base d’uranium impressionnent des pellicules photos en permanence.

Marie Curie (1898) : - 4 ans de travail pour extraire 1g de radium pur à partir de la distillation de 1 tonne d’uranium (le radium étant le résultat de la désintégration des noyaux d’uranium).

- 2 prix Nobel. (dont un pour la découverte d’un nouvel élément chimique : le polonium)

- Morte de leucémie en 1934, même les pages de son cahier de laboratoire furent trouvée contaminées avec des empreintes digitales radioactives.

MAIS : la confusion entre radioactivité (production d’un rayonnement c’est à dire entrant dans la catégorie lumière ou X) et expulsion de débris du noyau instable est persistante (discussion)

II – La physique nucléaire

Le monde à 10-15 m

Noyau d’hélium He : 1,9 fm

Noyau d’uranium U : 7,4 fm

Enrico Fermi

Révision :

XA

Z

La cohésion des noyaux :Quelles forces entre les nucléons d’un noyau ?

(distants d’1 fm environ)Force de gravitation (attractive) :

F1 = avec G = 6,6710-11 S.I. estimation (sans calculette) : 10-35 N

Force électrique (répulsive) :

F2 = avec = 8,8510-12 S.I.

estimation (sans calculette) : 100 N

? Les noyaux sont pourtant stables…

… Grâce à l’interaction dite « forte » !!

Toutefois, les (très) gros noyaux ne sont plus très stables…

Ils peuvent donc se transformer spontanémentEn quelque chose de plus stable

Ils se désintègrent !!!La désintégration s’accompagne de l’expulsion d’une petite particule…

De l’énergie est libérée…

sous forme d’énergie cinétique (de vitesse) communiquée à la particule éjectée

Et sous forme de rayonnements électromagnétiques de type g (gamma)(très dangereux, encore plus pénétrant que les rayons X)

Les différents types de radioactivité(On classe selon la nature de la petite particule expulsée lors de la désintégration)

-Radioactivité a (alpha) :

- Mise en évidence par Rutherford en 1895, qui constate qu’il s’agit de rayons peu pénétrants ;

- Rutherford 1903 : charge de la particule établie à +2e et sa masse est plusieurs milliers de fois supérieure à celle des électrons ;

- Rutherford (et Royds), identification : a = noyau d’hélium, identifié grâce à son spectre lumineux (d’absorption ou d’émission)

Radioactivité b- (béta moins) :

- déviation par champ magnétique (1899) ;- charge négative (1900) ; - nature analogue aux rayons cathodiques (rapport charge/masse) (1900) ; - identification : électrons (1902).

Rayons g : Détectés dès 1900 en tant que rayons très pénétrants accompagnant les émissions a. Leur nature ondulatoire sera confirmée en 1914 par une expérience de réflexion.

1920, mise en évidence d’une nouvelle catégorie de radioactivité : b+

La particule b + émise est un positon : même masse que l’électron charge exactement opposée +e !!!!

(C’est de l’anti-matière, on essaiera d’y revenir…)

Equations de réactions nucléairesMême principe que les équations chimiques

Avec deux (premières) règles de conservation à respecter :

- Conservation de la charge électrique totale.

- Conservation du nombre total de nucléons.

Exemples :

Il y a quelque chose de bizarre dans le cas des désintégrations b + et b - :

Un neutron se transforme en proton (b -) ou l’inverse (b +) !!

Neutrons et protons ne seraient donc pas des particules élémentaires ???????