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1/10
> INTRODUC
De linfiniment grand linfiniment petit
De linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
DE L A RE C HE RC HE
L I N D U ST R I E
> De linfiniment grand linfiniment
AU CUR DE LA MATIRE: LES ATOMLMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPESLES QUATRE INTERACTIONSFONDAMENTALES
LA PHYSIQUE NUCLAIRE
Commissariat lnergie Atomique, 2002Direction de la communicationBtiment Sige - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr
ISSN 1637-5408.
LA COLLECTION
1 > Latome
2 > La radioactivit
3 > Lhomme et les rayonnements
4 > Lnergie
5 > Lnergie nuclaire: fusion et fission
6 > Le fonctionnement dun racteur nuclaire
7 > Le cycle du combustible nuclaire
8 > La microlectronique
1 > Latome
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> INTRODUC
De linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
> SOMMAIRE2
introductioLa dcouverte de latome est due des phi-losophes, tels que Leucippe et Dmocrite,qui, pour tenter de rpondre aux questions por-tant sur le commencement et la fin du cosmos,lunit et la diversit des tres matriels, onttrouv un dnominateur commun pour tousles tres, pour tout lunivers: latome.Au fil des annes et des sicles, cette volontde comprendre lorigine du monde a contribu
considrer latome comme un objetpar les physiciens. Cette petite matire a permis de faire un grand la comprhension de notre univers et eau centre de nombreuses recherches,na pas dit son dernier mot.
AU CUR DE LA MATIRE:LES ATOMES 4La composition des atomes 5
Les tailles dun atomeet de son noyau 5
La masse de latome 6
La charge lectriquede latome 6
LMENTS CHIMIQUESET ISOTOPES 8Les lments chimiques 9
Les isotopes 9Le tableau de Mendeleev 11
LES QUATRE INTERACTIONSFONDAMENTALES 12Linteraction forte 13
Linteractionlectromagntique 13
Linteraction faible 14
La gravitation 14
LA PHYSIQUE NUCLAIRE 15Une brve description
du noyau 16La microchirurgie du noyau 16
La fournaise nuclaire 19
> INTRODUC
Latome
Grlelectrostatique.
Chaque atome est
constitu dun noyauentour dun cortgedlectrons.
De gauche droite: JJohn ThomErnest Ruet JamesChadwick
De linfiniment grand linfiniment petit
Ds le Ve sicle avant Jsus-Christ, Leucippe, puisDmocrite, nomment atome (du grec atomosqui ne peut tre coup) cette petite unit dematire, ternelle, illimite et constammenten mouvement rapide.
Il faudra attendre plus de 2500 ans pour approfondircette connaissance. En 1897, Joseph John Thomsondcouvre lun des composants de latome, llectron.En 1904, il imagine que les atomes sont des sphresremplies dune substance lectriquement positive etfourre dlectrons ngatifs.
En 1911, un savant anglais, Ernest Rutherford,voit que des particules projetes sur de la matire
la traversent comme si ctait du vide, saufquelques-unes, trs rares qui sont dviesou mme rebondissent comme des balles de fusiltires contre une large et haute haie recelantquelques billes dacier. Il dcouvre ainsi le noyauatomique qui concentre presque toute la massede latome dans un volume cent mille fois plus petitque ce dernier.
On trouve ensuite que la charge lectrique posdu noyau est porte par plusieurs corpusculesles protons. Et, en 1932, James Chadwick dcle neutron, constituant neutre du noyau. Lorsquest seul, il se dsintgre en proton et en lectrlorsquil est lintrieur du noyau atomique,il est stable.
En 1969, des physiciens bombardent des noyauun faisceau de particules (des lectrons) suffisaacclres pour pntrer au cur des nuclonsEt l'histoire de Rutherford se rpte au sein mmdu nuclon, certains lectrons rebondissent de apparemment bizarre. Ce ne peut tre que sur d
corpuscules encore plus petits. Ainsi sont dcoles quarks. Chaque nuclon en contient trois.
La dernire dcouverte est celle du quark.Peut-tre un jour dcouvrira-t-on des particuleencore plus petites l'intrieur des quarks!Mais il faudra disposer d'acclrateurs de partencore plus puissants. Plus on veut voir petit, pmicroscope doit tre gros.
HISTORIQUE
Conception et ralisation: Spcifique - Photo de couverture: PhotoDisc - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002
PhotoDisc
Palaisdeladcouverte/Ph.
C.
Greutz
Roger-Viollet
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De linfiniment grand linfiniment petit
> AU CUR DE LA MATIRE: LES AT4
UN ATOME EST CONSTITUDUN NOYAU DE PROTONS ET DE NEUTRONS,ET DUN NUAGE DLECTRONS.
LA COMPOSITION DES ATOMESLes plantes, lair, leau, les pierres, les tresvivants tous les corps de la nature sontconstitus partir datomes ou dassemblagesdatomes (molcules). Contrairement son
tymologie, latomenest pas indivi-
sible. Comment est-il constitu?Un atome est compos:
dun noyau central qui est un assemblagede protons et de neutrons. Les protons et lesneutrons constituent les nuclons (du motgrec nucleus signifiant noyau);dun nuage priphrique compos dun cor-tge dlectrons, qui tournent des vitessesprodigieuses autour du noyau. Il est impossiblede vraiment se reprsenter leurs trajectoires:seules des formules mathmatiques permettentde prdire dans le nuage quils forment autourdu noyau, les zones o lon a le plus de chancesde les rencontrer.Il existe beaucoup datomes diffrents maisils sont tous fabriqus partir de protons, deneutrons et dlectrons tous identiques.
LES TAILLES DUN ATOMEET DE SON NOYAULe diamtre du nuage lectronique sphrique
de latome est de lordre de 10-10 mtre. Cettetaille est vraiment minuscule. Pour atteindreun centimtre, il faudrait aligner 100 millionsdatomes.
De linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
Au cur de lamatire: les atomesAssemblage de plusieurs atomesrelis par des liaisons chimiques.
PhotoDisc
Nuage lectronique
Noyau ato
REPRSENTATION DU NUAGELECTRONIQUE DE LATOMEDE LITHIUM
Latome de lithium reprsent a trois protons,quatre neutrons et trois lectrons. On ne peut donner la position exacte des trois lectronsdans le nuage lectronique de latome de litDans cette reprsentation, les lectrons se tro
de faon plus probable, dans les zones les plufonces. Cette image est le rsultat de formulmathmatiques.
Le noyau est encore beaucoup plusoccupe une sphre dun diamtre de 10en moyenne, soit prs de 100000 petite que latome avec son nuage d
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De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
> AU CUR DE LA MATIRE: LES AT6 > AU CUR DE LA MATIRE: LES ATOMES
le rsultat du calcul nest quune estimation (voirlivret Lnergie nuclaire: fusion et fission).
LA CHARGE LECTRIQUEDE LATOMEDes trois lments constituant latome, seulle neutron ne porte pas de charge lectrique,ilest neutre, do son nom. Un proton porte unecharge positive et un lectron, une charge nga-
tive. Un atome dans son tat normal comprendautant de protons que dlectrons. Il est donclectriquement neutre. Cependant, dans cer-taines conditions (ractions chimiques),latome peut perdre ou gagner un ou plusieurslectrons et peut alors tre charg positivementou ngativement. Il est alors appel ion.
LA MASSE DE LATOMEDans latome, la masse nest pas rpartie de faonhomogne. Les protons et les neutrons ont peuprs la mme masse, mais ils sont environ 2000fois plus lourds quun lectron, si bien que lenoyau concentre quasiment toute la masse de
latome et que la matire dont est fait un noyauest un million de milliards de fois plus dense quela matire ordinaire. Sitous les noyaux de la Terrevenaient se toucher, notre plante aurait peineplus de cent mtres de diamtre et un grain desable pserait plus dune tonne. Pour estimer lamasse dun noyau, il suffit donc de connatre sonnombre de nuclons (appel aussi nombre demasse). Sachant que la masse dun nuclon estdenviron 1,67.10-27 kg, il est facile de calculerune masse approximative dun atome. Cependant,
MNHN
Dans la nature, tous les corps sont constitus partir datomes ou dassemblages datomes (molcules)
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PhotoDisc
PhotoAlto
PhotoDisc
Lespace entre le noyauet le nuage dlectrons est vide.
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> LMENTS CHIMIQUES ET ISOT
De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
8
LES LMENTS CHIMIQUESUn lment chimique est un ensemble datomes
comportant le mme nombre de protons.Il estdsign par un symbole dune ou deux lettres(par exemple,1Hpour lhydrogne qui na quunproton, 26Fe pour le fer qui a 26 protons).Les atomes prsents naturellement sur Terreappartiennent 90 lments chimiquescomprenant de 1 92 protons. Les lmentschimiques, techntium (Tc) avec 43 protons etpromthum (Pm) avec 61 protons, nexistentpas ltat naturel. Ils peuvent cependant trecrs artificiellement ainsi que dautres lments
SELON LE NOMBRE DE LEURSCONSTITUANTS, LES ATOMES RELVENTDE CATGORIES DIFFRENTES.
lments chimiqueset isotopes
chimiques comprenant plus de 92comme, par exemple, le plutonium (94 protons.
LES ISOTOPESLes noyaux ne sont pas uniquementus de protons, ils contiennent aneutrons. Des atomes dun lment ccomportant un nombre diffrent de
sont des isotopes de cet lment. Par eTous les isotopes de lhydrogne ont uet zro, un ou deux neutrons. Ce sdrogne lger (appel souvent hydrog
Latome
PhotoDisc
Un atome daluminium (Al) Un noyau daluminium
14 neutrons
13 protons
13 lectrons
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> LMENTS CHIMIQUES ET ISOT
De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
> LMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES10
court car cest le plus rpandu), lhydrognelourd ou deutrium, et le tritium (voir schmaci-dessus).Tous les isotopes du carbone ont 6 protons.Les plus abondants ont 6, 7 ou 8 neutrons. Unatome est appel par le nom de son lmentchimique suivi du nombre total de ses nuclons:carbone 12, carbone 13 et carbone 14.Les proprits chimiques dun atome dpen-
dant seulement du nombre et de la disposi-tion des lectrons dans son nuage, tous lesisotopes dun mme lment ont les mmes
proprits chimiques. Cependant, la lgrediffrence de masse de leur noyau fait queleurs proprits physiques se diffrencientquelque peu.
Les isotopes sont en quelque sortedes atomes frres qui possdent lesmmes proprits chimiques mais unnombre diffrent de neutrons.
LE NOM DES ATOMESUn atome se caractrise par son nombrede protons (identique celui des lectrons)et par son nombre de neutrons.
Il est appel par le nom de son lmentchimique suivi de son nombre total denuclons (nombre de masse). Par exemple,oxygne 16, fer 59.
Le nom de llment chimique permetde connatre le nombre de ses protons.Et du nombre de ses nuclons, parsoustraction du nombre de ses protons,on peut dduire le nombre de ses neutrons.
Les isotopes
Noyau
Lhydrogne 1H Le deutrium 2H ou D Le tritium 3Hou T
1 lectron{1 proton } Noyau
1 lectron
{1 proton1 neutron} Noyau
1 lectron
{1 proton2 neutrons}
Mercure
Li
3
6,941 Be
Tableau de Mendeleev
4
9,0122
Na11
22,9898Mg
12
24,3050
Ca20
40,078K
19
39,0983Sc
21
44,956Ti
22
47,88V
23
50,942
La57
138,906
Nb41
92,906Zr
40
91,224Y
39
88,906Sr
38
87,62Rb
37
85,468
Cs55
132,905Ba
56
137,327
57
71Hf
72
178,49
Rf104
(261,11)
Ta73
180,948
89
103Ra
88
226,025Fr
87
(223)
W74
183,85Re
75
186,207Os
76
190,2Ir
77
192,22Pt
78
195,08Au
79
196,967Hg
80
200,59A
85
(21Po
84
(209)Bi
83
208,980Pb
82
207,2Tl
81
204,383
Sn50
118,710In
49
114,82Te
52
127,60Sb
51
121,75I
53
126,9
B35
79,9Se
34
78,96As
33
74,9216
S16
32,066P
15
30,9736
Ge32
72,61Ga
31
69,723
Si14
28,0855Al
13
26,9815
N7
14,0067
C6
12,011
B5
10,811
F9
18,99
O8
15,9994
C17
35,45
1
1
Cd48
112,411Ag
47
107,868Pd
46
106,42Rh
45
102,906
Zn30
65,39Cu
29
63,546Ni
28
58,69Co
27
58,9332Fe
26
55,847
Ru44
101,07Tc
43
(98)Mo
42
95,94
Mn25
54,9309Cr
24
51,996
Th Pa
LGENDE
Les chiffres entre parenthsesindiquent le nombre de massede l'isotope le plus stable.D'aprs Handbook of chemistry and phy
74st
Ed. 1993, CRC Presset Pure and Applied Chemistry, 1997, 6
Numro atomiqueSymboleMasse atomique
Priode
1
2
3
4
5
6
7
1A MTAUX ALCALINS
2A MTAUX ALCALINO-TERREUX
3A HOMOLOGUES DES TERRES RARES
4A MTAUX ET MTALLODES TTRAVALENTS 4B
5A Famille du VANADIUM
6AFamille du CHROME
7A Famille du MANGANSE
8A 8B 8C
Priode 4 : MTAUX MAGNTIQUESPriode 5 : Mine du PALLADIUM
Priode 6 : Mine du PLATINE
MTAUX NOBLES 1B
MTALLODES HALOGNES MONOVALENTS
MTALLODES BIVALENTS 6B
MTALLODES TRIVALENTS 5B
MTAUX TRIVALENTS 3B
Famille du ZINC 2B
91
231,036
90
232,038
92
238,029
U94
(244)Pu
96
(247)Cm
98
(251)Cf
100
(257)Fm
102
(259)NoAc
89
227,028
Np
93
237,048
Am
95
(243)
Bk
97
(247)
Es
99
(252)
Md
101
(258)
Lr
103
(260)
Ce58
140,115
Pr
59
140,908Nd
60
144,24
Pm
61
(145)Sm
62
150,36
Eu
63
151,965Gd
64
157,25
Tb
65
158,925Dy
66
162,50
Ho
67
164,930
Er68
167,26
Tm
69
168,934
Yb70
173,04
Lu
71
174,967
H1
1,00794
LANTHANIDES
ACTINIDES
Db105
262,11Sg
106
263,12Bh
107
264,12Hs
108
265,13Mt
109
268Uun
110
269Uuv
111
272Uub
112
277
Al
Aluminium
C
Carbone
Cd
Cadmium
Co
Cobalt
Cr
Chrome
Ge
German
Hg
Mercure
In
Indium
Pb
Plomb
Si
Silicium
Tl
Thallium
W
Tungs
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> LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENT
De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
12
Dans la nature, les objets sont soumis toutessortes de forces qui sexercent distance.
Ainsi, par exemple, deux masses sattirent,deux charges lectriques sattirent ou se repous-sent suivant leur signe. Les objets ont une actionlun sur lautre. Ils interagissent. Suivant lanature des objets, les forces dinteraction (ouplus simplement interactions) sont de quatretypes fondamentaux: linteraction forte, lin-teraction lectromagntique, linteraction faibleet la gravitation.
LINTERACTION FORTELinteraction forte, ou force nuclaire forte,
assure la cohsion du noyau en faisant forte-
ment sattirer les nuclons.Elle ne sexerce qudes distances trs courtes, quelques diamtresde noyaux. distance gale, elle est 100 1000 fois plus intense que linteraction lec-tromagntique.
LINTERACTIONLECTROMAGNTIQUELinteraction lectromagntique se manifeste
sous deux formes, la force lectrique et la force
magntique.La premire rgit les phnomneslectriques comme la foudre, les cheveux
qui se dressent sur la tte quand il y a de llec-tricit dans lair, et la deuxime, les phnomnesmagntiques comme la boussole, les lectro-aimants, etc. La force magntique est un effetprovenant du mouvement des charges lec-triques, ainsi une boussole est perturbe parles clairs dun orage. Cette interaction fait se
DANS LA NATURE, TOUS LES OBJETSONT UNE ACTION LUN SUR LAUTRE.ON DIT QUILS INTERAGISSENT. Une boussole
est perturbe parles clairs dun oracest lune des
manifestationsde la force magntqui provient dumouvement descharges lectrique
repousser deux charges lectriques dsigne (deux protons, par exemple), edeux charges de signes opposs (unet un noyau). Elle porte linfini, mest quatre fois plus faible distance dde linverse carr de la distance).Etend les proprits chimiques des ato
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C.
Greutz
La force lectrique rgit les phnomnes commet intervient dans linteraction lectrom
PhotoDisc
interactionsfondamentalesLes quatreinteractionsfondamentales
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La physiquenuclaire
TUDIER LE NOYAU ATOMIQUEET SES COMPOSANTS, VOIL EN QUOICONSISTE LA PHYSIQUE NUCLAIRE.
De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
LINTERACTION FAIBLELinteraction faible, ou force nuclaire faible,
est responsable de certains phnomnes de la
radioactivit (par exemple, la radioactivit bta).Sa porte est extrmement faible, de lordre dequelques centimes de la taille dun nuclon,mais elle rgit les ractions thermonuclairesqui permettent au Soleil et aux toiles de pro-duire de lnergie. Elle est environ 100000 foisplus faible que linteraction forte.
LA GRAVITATIONLa gravitation, responsable de lattraction des
masses, explique la pesanteur et le mouvement
des corps clestes. Elle varie avec la distancesuivant la mme loi que la force lectroma-gntique. Cest de trs loin la force la plus faibledes quatre: 10-40 fois plus faible que la forcelectromagntique! Pourtant cest celle quenous ressentons le plus: quand on tombe dehaut, on se fait mal! Car la masse qui nousattire est gigantesque, cest celle de la Terre.Mais, si parfois on se casse une jambe, on nese casse jamais un atome, encore moins unnoyau
> LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES14
La gravitation, plutt faible compare dautres forces,est pourtant celle que nous ressentons le plus.
La gravitation varieavec la distance.Quand on tombe dehaut, on se fait mal!
PhotoDisc
CEA/GANIL
16
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> LA PHYSIQUE NUCL
De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
> LA PHYSIQUE NUCLAIRE16
UNE BRVE DESCRIPTIONDU NOYAUUn atome est donc une sorte de systme solaireen miniature: des mini-plantes, les lectrons,tournent autour dun mini-soleil, le noyau. Laphysique nuclaire, cest ltude du noyau
atomique et de la force norme linteraction
forte qui lie ses constituants, les nuclons
(protons et neutrons).
Le noyau est un objet extrmement dense,complexe et petit. Il est comme une pouperusse qui contient des poupes de plus enplus petites, des poupes gigognes: le noyaucontient des nuclons, qui renferment chacun
trois quarks. Il y a deux sortes de nuclons: lesprotons, chargs positivement et les neutronsqui sont neutres.Dans ce minuscule volume, non seulementles protons se repoussent trs fortementcar ils sont porteurs de charges lectriquesde mme signe, mais protons et neutronsdansent un vertigineux ballet plus de30000 km/s (plus dun dixime de la vitessede la lumire, soit le tour de la Terre en1,34 seconde)! Pourtant, le noyau ne spar-pille pas en gerbes de nuclons et garde sacohsion. En son sein, une force colossaleprovoque une attraction entre nuclons
bien suprieure la force lectrique qui
spare les protons. Cette force nuclaire ouinteraction forte qui maintient la cohsiondes noyaux est la plus puissante des quatreinteractions ou forces fondamentales de lanature.
LA MICROCHIRURGIEDU NOYAUCest ltude du noyau en tant que collectionde nuclons qui bougent et sattirent, celledes mcanismes intimes de leur attraction etde linfluence des quarks sur leurs proprits
et leur comportement. Pour cela, on sonde lesnoyaux avec un vritable microscalpel adapt leurs dimensions. On utilise un faisceau departicules acclres (voir encadr page 18)qui permet de regarder quelle est la propor-tion des particules dvies ou absorbes. Ilpermet aussi de voir comment ragissent les
Au cur de latome, protons etneutrons dansent plus de 30 000 km/s.Pourtant, grce la force nuclaire,ils ne sparpillent pas.
Acclrateur de particulesdu CERN, en Suisse.
CEA
FERMIONSLa matireordinaire estcompose departiculesde ce groupe.Pour la plupart,ces particulestaient prsentes
juste aprsle "Big Bang".Aujourd'huion ne les trouveque dans lesrayons cosmiques
et auprs desacclrateurs.
Peuvent se dplacer librement. Prisonniers de particules plus grandils ne sont pas observs individuellem
BOSONSVECTEURSParticulesfondamentalesqui assurentla transmission des
forces de la nature.
Responsables de la brisure de symtrie lectro-faible.
LECTRONResponsable del'lectricit et desractions chimiques.Sa charge est de - 1.
MUONUn compagnon plusmassif de l'lectron.
TAUEncoreplus lourd.
NEUTRINO LECTRONSans charge lectriqueet interagissanttrs rarement avecle milieu environnant.
NEUTRINO MUONProprits similaires celles du neutrinolectron.
NEUTRINO TAUProprits similaires celles du neutrinolectron.
BAS dSa chargelectrique est de - 1/3.Le proton en contientun, le neutron deux.
TRANGE sUn compagnon pluslourd du "bas".
BEAUT bEncoreplus lourd.
HAUT uSa charge lectest de +2/3. Le en contient deule neutron un.
CHARME cUn compagnon lourd que "haut
TOP t
PREMIREFAMILLE
LEPTONS QUARKS
D
EUXIMEFAMILLE
TROISIMEFAMILLE
PHOTONGrain lmentaire de lalumire, porteur de laforce lectromagntique.
GLUONPorteur de la forceforte entre quarks.
W-, W+, Z0Porteurs de la force faible,responsables de certainesformes de dsintgration
radioactive.
GRAVITONSuppos vhicula force de grav
BOSONS DE HIGGS?
ATOME
NOYAU
LECTRON PROTON
NEUTRON
QUA
Caractristiques des particules lmentaires
18
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> LA PHYSIQUE NUCL
De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome
> LA PHYSIQUE NUCLAIRE18
noyaux : jection de nuclons, productiondautres particules, etc. On arrive faire desobservations extraordinaires: voir la diffrenceentre la taille dun proton isol et celle dunproton plong dans son noyau ou encoremesurer linfluence de la rotation des quarkssur celle du nuclon qui les contient, cest--dire dterminer comment trois petites toupies
qui tournent perptuellement en dans une sorte de glu et enfermes dtoupie mille fois plus grande (et pominuscule elle-mme) peuvent epartiellement sa rotation
LA FOURNAISE NUCLAIRCest ltude globale du noyauquchantillon de cette matire nucldense dont on connat assez mal les prPour en savoir plus, on ltudie dans dtions extrmes, identiques celles qui aux premiers instants de lUnivers. Cune vritable remonte dans le temp
La mthode consiste prcipiter lesles autres des paquets de noyaux qulre jusqu des vitesses proches dela lumire.Les chocs sont dune violence inouenuclaire se retrouve dans des tats de temprature, de pression, de dfodinstabilit. Les noyaux se fondentdans les autres, forment de nouveaudont la plupart nexistent pas sur Tfissurent, et au-dessus dune certainrature clatent, se vaporisent littraleune gerbe de nuclons. Cest une fan
aubaine pour les physiciens car ceprature nest autre que celle en delaquelle les noyaux ont pu se formerefroidissement de la pure primordidu Big Bang. Ils peuvent ainsi la 15 milliards dannes plus tard.
Pour tudier les atomes, certainseffectuent une remonte dans le temps,en recrant des conditions extrmesproches des premiers instants de lUnive
En ralit, on ne voit pas lesnoyaux.On ne peut que dterminerleur taille, leur forme, en lesbombardant avec des faisceauxde particules acclres.
On regarde ensuite commentces particules rebondissent ousont absorbes et comment ragitle noyau.Ce processus nest pas si diffrentde celui de la vision. Les objetsrenvoient notre il la lumiredont on les claire, en enabsorbant parfois une partie.On voit aussi leur taille, leurcouleur, etc.Or, la lumire, cest la foisune collection de grains lumineux,les photons, et une vibration, uneonde, tout comme la houle en mer.Cette onde transporte dautant plusdnergie quelle vibre plus vite,autrement dit, que ses ondulations
sont plus serres. La distance entredeux crtes successives sappellela longueur donde. Plus petiteest la longueur donde, plus londeest nergtique. Et plus elle permetde voir fin. Pour la lumire visible,la longueur donde va de 0,4
0,8 micromtre (millionimede mtre). peu prs, la tailledun microbe. Cest justementle genre dobjet que lon peutobserver au microscope optique,mais si on veut voir plus petit,
celui-ci ne suffit plus. Pour voirdes atomes, il faut un microscopelectronique dans lequel unfaisceau dlectrons acclrsjoue le rle de la lumire, car ilse conduit comme une onde, maisune onde dont la longueur dondeest de lordre dune fraction denanomtre (milliardime de mtre).Cest environ le diamtre dunatome (soit 10000 fois plus petitque celui dun microbe) que permetde voir le microscope lectroniquedont londe lectroniqueest 10000 fois plus nergtiqueque la lumire visible.Pour voir un noyau, il faut encoregagner au moins un facteur
100000 en finesse dobservationet donc disposer dun faisceauau moins 100000 fois plusnergtique que celui du microscopelectronique le plus puissant.Cest possible grce auxacclrateurs de particules.
Le CERN de Genve, en partenariatavec le CEA, accueillera bienttle Large Hadron Collider - LHC.Cet acclrateur de particules,le plus grand du monde, sera munide 400 aimants quadripolaires
qui focaliseront les faisceauxde protons, afin de produiredes collisions une nergiede 14 TeV (soit 14000 milliardsdlectrons volts).Lun des objectifs est de rvlerle boson de Higgs.
PLUS LOIN AVEC SPIRALSpiral est un quipement, implant Caen, au Ganil(Grand acclrateur national dions lourds),
permettant de produire et dacclrer des noyauxlgers et moyennement lourds, appels noyauxexotiques, qui nexistent pas sur Terre. Leur tudeest essentielle dans de nombreux domaines de laphysique nuclaire, mais aussi de lastrophysique,notamment pour comprendre la formation des noyauxdes atomes au sein des toiles et des supernovae.
Si les physiciens savent dj synthtiser des noyauxexotiques en laboratoire, linstallation Spiral vapermettre, pour la premire fois, den produire engrande quantit, de les acclrer, dobserver leurscollisions avec dautres noyaux, et ainsi deconnatre leur structure. Comparativement aux autresinstallations existantes, Spiral permet en outredtendre de manire considrable lventail deslments exotiques produits et le domaine dnergieaccessible.
En septembre 2001, Spiral a produit son premierfaisceau dun noyau exotique: le Non 18. Grce lobservation des collisions de ce faisceau sur unecible dhydrogne solide, Spiral a permis de dvoilerla structure du sodium 19, noyau inconnu sur Terre,notamment pour comprendre certaines ractionsthermonuclaires par lesquelles sont crs leslments dans lUnivers.
COMMENT VOIR DES NOYAUX ET DES PARTICULES?
En haut gauche: un aimantquadripole pour le LHC.En haut droite: le microscopeanalytique SIMS permet daccder la localisation desradionuclides metteursde rayonnements faibles.Il fonctionne selon le principedun microscope balayage
lectronique et remplacele faisceau dlectrons primairespar un faisceau dions permettantlanalyse lmentairede surfaces solides.
CEA/Dapnia
CEA/Gonin