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THÉORIE DU NOYAU. Physique nucléaire Chapitre 13. ÉLÉMENTS DE LA THÉORIE DU NOYAU. On s’est intéressé jusqu’ici au nuage électronique et à l’atome dans son ensemble. Quelles sont les propriétés des noyaux ? Comment sont-ils constitués ? - PowerPoint PPT Presentation
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hn
Guy COLLIN, 2014-12-29
THÉORIE DU NOYAU
Physique nucléaire
Chapitre 13
hn
2014-12-29
On s’est intéressé jusqu’ici au nuage électronique et à l’atome dans son ensemble.
Quelles sont les propriétés des noyaux ? Comment sont-ils constitués ? Quelles sont les règles, les lois, les forces qui
gouvernent l’assemblage des particules qui le constituent ?
Quelle est sa grosseur ?
ÉLÉMENTS DE LA THÉORIE DU NOYAU
hn
2014-12-29
ÉLÉMENTS DE LA THÉORIE DU NOYAU
Puisque le nuage électronique porte des charges électriques négatives, où sont situées les charges positives ?
Existe-t-il d’autres particules que le proton et le neutron ?
Si oui, quelles sont leurs propriétés : leur masse, leur charge électrique, leur moment magnétique, …
Quelles sont les lois qui les gouvernent ?
hn
2014-12-29
Les forces en présence
• La force de COULOMB : nous savons qu’elle est encore valable entre particules situées à des distances de l’ordre de 10-14 m (voir expérience de RUTHERFORD sur la déviation des particules a).
• Les forces répulsives électrostatiques entre les protons doivent être considérables dans chaque noyau.
• Quelle(s) force(s) nouvelle(s) agi(ssen)t pour stabiliser l’assemblage de protons et de neutrons ?
• La force de gravité ?
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Les constituants du noyau
Les particules de base qui constituent chacun des noyaux sont le proton et le neutron.
Le proton a été découvert par RUTHERFORD en 1910.
L’existence du neutron a été définitivement prouvée en 1932 par CHADWICK à la suite de travaux de BOTHE et BECKER en 1930 suivis de ceux de I. et J. CURIE en 1932.
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Le proton et le neutron Les masses :
proton = 1,007 276 63 ± 0,000 000 08 uou en énergie (E = mc2 ) 938,256 ± 0,005 MeV
neutron = 1,008 665 4 ± 0,000 000 4 uou 939,550 ± 0,005 MeV
La charge : le proton porte une charge électrique positive. Le spin : les deux particules portent un moment angulaire
intrinsèque (rotation de la particule sur elle-même). Le moment angulaire de spin nucléaire LS correspond au
nombre quantique de spin nucléaire S et sa grandeur est telle que :
LS = S (S + 1) où = h
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Le moment magnétique nucléaire Les moments magnétiques sont mesurés en magnéton
nucléaire : ßn = e / 2 mn= (5,050 50 ± 0,000 13) 10-27 J/(Wb/m2)
Rappel : ße = e / 2 me = 0,927 32 10-23 J/(Wb/m2) Le moment magnétique nucléaire du proton est de :
+ 2,792 76 ßn
Le neutron a un moment magnétique dont la valeur est de -1,913 15 ßn
Même s’il est neutre, le neutron a une distribution de charge non uniforme.
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2014-12-29
Distribution de la charge électrique dans le proton et le neutron
Densité de charge
Distance radiale
0 1 2 fermis
Proton
Neutron 1 fermi = 10-15 m
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Les forces entre les nucléons
1 fermi = 10-15 m
0
Énergie
Distance r 0
Énergie
Distance r
3 fermis
Interaction P - P 2,5 fermis
Interaction n - P
Note : ƒ(n, n) = ƒ(n, p)
Force de répulsion électrostatique
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Énergie nucléaire et coulombienne
La corde emprisonne le ressort en position compressée
Énergie coulombienne
Énergie nucléaire
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Le deutéron Il est constitué d’un proton et d’un neutron :
Mp = 1,007 277 u
Mn = 1,008 665 uMasse totale : = 2,015 942 uMasse réelle : = 2,013 553 u
Défaut de masse, D M : = 0,002 389 u. Puisque 1 u = 931,5 MeV/c2, on peut conclure que
ce défaut de masse, encore appelé l’énergie de liaison du noyau, est tel que : D M c2 = 2,225 MeV.
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Énergie de liaison du deutéronÉ
nerg
ie
MP c2
Mn c2
DM c2
MD c2
Bilan d’énergie : il faut ajouter une énergie de 2,225 MeV à un deutéron pour séparer à l’infini
et au repos le proton et le neutron : c’est une
photodésintégration.
Note : DM c2 représente environ 0,1 % de la somme Mn c2 + MP c2
e-
21H +
11H +
10n
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Les noyaux stables
Soit Z le nombre de protons (numéro atomique).Les noyaux ayant la même valeur de Z sont les
isotopes. Soit N le nombre de neutrons.
Les noyaux ayant la même valeur de N sont les isotones. N + Z = M est le nombre de masse.
Les noyaux ayant la même valeur de M sont les isobares. Les noyaux stables sont ceux qui ont un nombre N égal ou
légèrement supérieur au nombre Z.
sont stables.16 8 O,
17 8 O et
18 8 O
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Zone de stabilité des noyaux
N100
50
40 80 Z0
bissectrice de l’angle
Exemple de noyau stable :
208 82Pb
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2014-12-29
Le modèle en couche
Les nucléons sont dans un puits de potentiel (une boite tridimensionnelle).
La résolution de l’équation de SCHRÖDINGER conduit à un modèle similaire au modèle électronique avec orbitales, nombres quantiques, ...
éner
gie
Couches (orbitales)
neutroniques
Couches (orbitales)
protoniques
H11 D21 He32He4
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2014-12-29
Configuration du noyau de
ÉnProtons
Z
NeutronsN
Si les niveaux peuplés par les neutrons sont régulièrement espacés, étant donnée la force coulombienne qui existe entre les protons, elle entraîne un élargissement graduel entre les niveaux peuplés par les protons.
Faibles valeurs de Z, Z @ N. Z < N pour des valeurs plus
hautes de Z et de N.
3014Si
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2014-12-29
Le rayon nucléaire Les expériences de diffraction des noyaux a sur une cible suivent
la loi de l’interaction coulombienne pourvu qu’ils passent à une distance supérieure à 10-14 m.
Avec des neutrons cinétiquement excités à 100 MeV, la longueur d’onde est de l’ordre de 1 fermi (10-15 m).
On montre que le rayon nucléaire R = ro M 1/3 , où ro = 1,4 fermis.
Avec des électrons, R = ro M 1/3 , où ro = 1,1 fermis. Élevons au cube l’une ou l’autre des ces deux équations et
multiplions par 4 p / 3.
volume du nucléon :4 R3
3 = 4 ro3
3 M
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Distributions nucléaire et de charge dans le noyau Au
O,5
1,0Densité de charge : 1025 C/m3
Au
Densité des nucléons :
1044 nucléons/m3
1,0
0 2 4 6 8 10
Distance radiale
fermis
• Le noyau n’est pas nécessairement sphérique.
• La majorité des noyaux ont plutôt la forme d’un ellipsoïde de révolution.
• Ainsi, le noyau Lu est un ellipsoïde dont le grand axe est environ 25 % plus grand que le rayon de la sphère de volume identique.
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L’énergie de liaison des noyaux
DM = Z Mp + ( M - Z ) Mn - M : DM = défaut de masse; Mp = masse du proton;
Mn = masse du neutron; M = masse du noyau considéré
contenant Z protons et M - Z neutrons.
L’énergie de liaison est le rapport entre l’énergie équivalente au défaut de masse divisée par le nombre de nucléons : Eliaison = DM c2 / M.
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Le cas de l’oxygène 8 protons = 8 1,007 277 = 8,058 216
u 8 neutrons = 8 1,008 665 = 8,069 320 u Total = 8 2,016 490 = 16,127 536 u Masse de l’atome d ’oxygène = - 15,994 915
u Défaut de masse : DM = 0,132 621
u
D M c2 = 0,132 621 u 931,5 MeV/u = 123,54 MeV L’énergie de liaison = 123,54 / 16 = 7,9 MeV/nucléon C’est une énergie moyenne. Cela ne veut pas dire que cela
représente l’énergie pour extraire un nucléon.
16 8 O
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Le cas de la réaction
Masse de 1 proton = 1,007 277 u
Masse de l’azote 17 = 15,000 108 u Masse totale = 16,007 385 u Masse de l’oxygène 16 = - 15,994 915 u Variation de masse : DM = + 0,012 469 u
D M c2 = 0,012 469 u 931,5 MeV/u = + 11,61 MeV L’énergie pour extraire un proton est donc
E = 11,61 MeV/nucléon.
16 8O + h
15 7N +
11H
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Énergie de liaison du noyau
0
4
8
100 200
MeV / nucléon
M = N + Z
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Le modèle de la goutte d’eau
Le modèle propose que le noyau ressemble à une goutte d’eau dans laquelle il existe deux sortes de nucléons, ceux à l’intérieur du noyau entouré par 12 nucléons, et ceux sur la surface (tension de surface) :
Chaque nucléon interagit avec ses voisins et atteint ainsi une saturation (12 voisins maximum, dans un empilement de sphères).
À la surface, cependant, le nucléon n’est pas complètement entouré (9 voisins).
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Empilement de sphères
Vue de dessus Vue de côté
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2014-12-29
Le modèle de la goutte d’eau L’énergie de liaison (ou énergie de volume) qui est
proportionnelle à M = N + Z EV = aV M
L’énergie de surface, proportionnelle à la surface du noyau, donc à R2 ou M 2/3
ES = - aS M 2/3
On montre que l’énergie coulombienne est en définitive proportionnelle à Z2 M -1/3
EC = - aC M -1/3
L’énergie totale est donc :ET = v M s M 2/3 c M 1/3
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Énergie de liaison du noyau
0
4
8
100 200
MeV / nucléon
M = N + Z
A
0
5
10
100 200 300
15
- 5
- 10
MeV / nucléon
M
Énergie de volume
Énergie de surface
Énergie coulombienne
Énergie totale
B
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Le modèle des particules isolées
Noyau Z - N
Nombre de noyaux stables
Pair - pair Pair - impair Impair - pair
Impair - impair
157 53 50 5
Total 265
• Environ 60 % des noyaux stables ont des nombres pairs de neutrons et de protons (85 % de la croûte terrestre).
• Seulement moins de 2 % des noyaux stables ont des nombres impairs de neutrons et de protons.
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2014-12-29
Les nombres magiques On constate aussi que les noyaux qui ont un nombre de
protons et un nombre de neutrons égaux à 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126 sont les plus stables.
Comme dans le cas de la structure atomique où le dernier électron déterminait les propriétés de l’atome.
Les moments angulaires et les moments magnétiques des noyaux peuvent être expliqués en terme du dernier nucléon.
42He,
16 8O,
4020Ca, et aussi
208 82Pb (82 protons et 126 neutrons)
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2014-12-29
La combinaison des moments angulaires
Le moment angulaire total de n’importe quel noyau provient de trois sources : le spin nucléaire du proton : 1/2 ; le spin nucléaire du neutron : 1/2 ; le moment angulaire orbital de chaque nucléon dans le noyau.
Ces trois moments angulaires se combinent vectoriellement : pair-pair, combinaison par spins antiparallèles ; pair-impair, le spin 1/2 se combine avec le moment angulaire
orbital ; impair-impair, le spin nucléaire total est un entier.
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Les noyaux stables
Noyau Z - N
Spin du noyau *
Pair - pair Pair - impair Impair - pair
Impair - impair
0 1/2, 3/2, 5/2, . . . 1/2, 3/2, 5/2, . . .
2 n + 1
* où n est un entier positif ou nul
Exemples :
5626Fe
4020Ca
9542Mo
111 48Cd
127 53I
19 9F
14 7N
21H
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Les autres modèles Le modèle en couche (MAYER et JENSEN, 1948). Le modèle collectif (BOHR et MOTTELSON, 1953). Et le neutron : est-ce un proton
autour duquel gravite un électron ? au sein duquel est confiné un électron ?
L’absence de champ électrique intense et la mesure du magnéton nucléaire ne s’accommodent pas d’une telle hypothèse (un magnéton de BOHR est environ 1000 fois plus grand que le magnéton nucléaire).
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Les particules élémentaires
Particules a Masse au
repos b Énergie au repos
Charge électrique
Moment de spin
photon, électron, e positon c, e + proton, p+
antiproton, p
neutron, n antineutron, n
0 1 1
1836 1836 1839 1839
0 0,511 0,511
938,256 938,256
939,5 939,5
0 1 + 1 + 1 1 0 0
1 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2
a) toutes ces particules ont un temps de vie infini, sauf le neutron et l'antineutron 103 s; b) par référence à l'électron; c) découvert par ANDERSON en 1932.
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2014-12-29
Interaction proton-proton
La force qui interagit à courte distance, d £ l,4 fermi, dans le noyau doit être très importante et au delà de cette distance elle est négligeable.
YUKAWA a montré, en 1935, que cette force est associée à un échange de particules virtuelles, appelées mésons (mésons p , ou pions).
On peut montrer qu’il existe ainsi trois différents mésons, p+, p- et p°. Les deux premiers furent détectés en 1947 et le troisième en 1950.
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Interaction proton-proton
x
t Au point A un proton émet un
méson p°; un laps de temps plus tard, Dt, un autre proton absorbe ce p°
Pendant donc un temps Dt, le principe de conservation de l’énergie ne tient pas, puisqu’il y a création de matière.
Cela est convenable à l’intérieur du principe d’indétermination
Dt · DE = h/4p
P1
A
P1
P2
P2
Protons P1 et P2.
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Propriétés des mésons
Grandeur Unités + 0
masse au repos énergie au repos charge électrique
spin moment magn. temps de vie
me MeV
e s
273,3 139,58
+ 1 0 0
2,55 10 8
273,3 139,58
1 0 0
2,55 10 8
264,3 134,97
0 0 0
1,8 10 6
Ces mésons (pions), à l'état libre, sont instables et produisent des muons en se désintégrant.
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Autres particules
Autres particules Masse au
repos Masse au
repos Charge
électrique Spin
neutrino, antineutrino,
gravitona
0 0 0
0 0 0
0 0 0
1/2 1/2 1/2
a) cette particule prévue par la théorie n'a pas encore été observée.
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Le
neut
rino
?
muonpions
électron
rayon cosmique
noyau d’azote ou d’oxygène
Lab. sous-terrain
neutrino
autres particules
muons solaires
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Propriétés des kaons
Grandeur Unités K+ K K0
Énergie au repos Charge électrique
Temps de vie
MeV e s
494 + 1
1,2 10 8
494 1
1,2 10 8
498 0
10 10
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Conclusion
Les noyaux sont principalement constitués de protons et de neutrons en nombre relativement voisin.
En réalité il y a le plus souvent un peu plus de neutrons que de protons.
Il existe également une dizaine d’autres particules, certaines ont un temps de vie très court, d’autres sont sans masse ou n’ont pas de moment magnétique, …
Il existe des modèles pour expliquer la stabilité relative des noyaux. Ces modèles, parfois similaires à ceux retenus pour expliquer la stabilité des nuages électroniques, font appel à d’autres types de forces.