Un#siècle#de#physique#nucléaire · UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Lathéorie#atomique#de#Dalton 3 John Dalton (1766/1844) • Un type d’atome pour chaque élément • Tous les atomes

UNIVERSITÉ DESHERBROOKE

Un siècle de physique nucléaire

David Sénéchal Département de physique

Faculté des sciences Université de Sherbrooke

1


Les atomes

2

• Il n’y a que des atomes et du vide• Tous les atomes sont différents• Les éléments n’existent pas

Démocrite d’Abdère(-460/-370) Empédocle d’Agrigente (-490/-430)

• Les atomes n’existent pas• La matière est continue et formée

d’un mélange de quatre éléments:

terre, eau, air, feu


La théorie atomique de Dalton

3

John Dalton (1766/1844)

• Un type d’atome pour chaque élément• Tous les atomes d’un même élément sont

identiques• Les composés chimiques sont faits de

molécules : associations d’atomes


L’électron

•1876 : rayons cathodiques (Goldstein, Plücker, HiJorf)

•1895 : Jean Perrin montre que ce sont des parPcules chargées négaPvement, en observant la déviaPon par un champ magnéPque

•1896 : Wiechert montre qu’elles sont des milliers de fois moins massives qu’un atome

•1897 : Thomson les dévie par un champ électrique. Émet l’hypothèse qu’ils sont partout dans les atomes (plum pudding)

4

Jean Perrin (1870/1942)

J.J. Thomson (1856/1940)

Nob

el 1

906

Nob

el 1

926


Le modèle du Plum Pouding

5


tube à rayons cathodiques = télévision !

6


La radioacPvité

•Becquerel découvre (1896) des rayons nouveaux, émis par tous les composés de l’Uranium. Il appelle le phénomène radioac.vité

•Les Curie étudient la radioacPvité des minerais bruts d’uranium et découvrent deux éléments nouveaux, très radioacPfs: le polonium et le radium

7

Henri Becquerel (1852/1908)

Marie Curie(1867/1934)

Pierre Curie(1859/1906)

plaque photographique révélée par Becquerel

Nob

el 1

903


La période, ou demi-‐vie

8


alpha, bêta, gamma

•1898 : Rutherford disPngue les rayons α (lourds et posiPfs) et les rayons β (légers et négaPfs) émanant des sources radioacPves

•Villard ajoute les rayons γ (neutres)

•α : noyaux d’héliumβ : électronsγ : photons d’énergie élevée

9

α

β

γ

Ernest Rutherford(1871/1937)

Nob

el 1

908

pavillon MacDonald-Stewart, McGill


Il faut se tourner la langue 7 fois…

10

he energy produced by the atom is a very poor kind of thing. Anyone who expects a source of power from the transformation of these atoms is talking moonshine… – E. Rutherford, 1933


Les rayons cosmiques

•1911 : Victor Hess découvre les rayons cosmiques

•Des ascensions en ballon (souvent habités) sont nécessaires à leur étude

•A. Piccard bat le record : alt. 16 km en 1931

•Maximum d’acPvité en haute atmosphère: cascades causées par des “primaires” de très haute énergie • record observé : 3.1020 eV ! soit 100 millions de fois plus que le LHC !

•Origine : événements extrêmes dans l’univers, supernovas, etc. Encore largement un mystère.

11

Victor Hess et son ballon

Auguste Piccard (1884/1962)(alias Tryphon Tournesol)


Parenthèse: les unités de base

12

•Longueur: 1 fermi = 1 femtomètre = 10-‐15 m = 1 millionième de milliardième de mètre

•Énergie: 1 MeV = 106 eV = 1.6 × 10-‐13 Joule • 1 kWh = 2.246 × 1025 eV • combusPon: 1 molécule de méthane = 8.4 eV

•Masse: énergie/c2 car E = mc2

• électron = 0,511 MeV = 511 keV • proton: 938 MeV = 1 840 électrons


Échelles de longueur

13


1911 : La découverte du noyau...

14

Hans Geiger(1882-1945)

Ernest Marsden(1889-1970)


sous la supervision de Rutherford...

15

Rutherford

Geiger

... à l’Université de Manchester(et non à McGill comme on le dit souvent)


Modèle nucléaire de l’atome

16

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

champelectrique

distance au centre

•Les parPcules alpha sont parfois fortement déviées

•CeJe déviaPon n’est pas causée par les électrons (trop légers)

•Cela entraîne que la masse de l’atome est concentrée dans un noyau de rayon < 10-‐14 mcar un champ électrique élevée est requis pour dévier fortement les parPcules α

champ électrique de sphères chargées de rayons différents


Le modèle nucléaire de l’atome

17

10–10 m

10–15 m


parenthèse: la diffracPon

18

La diffraction d’un onde par un objet nousrenseigne sur la forme de cet objet

objet mathématique pertinent: la transformée de Fourier


La diffusion et la microscopie

19

qb

pi

pf q

✓

|p| = h

�

Mesurer la probabilité de diffusionen fonction de l’angle nous renseignesur la forme de l’objet diffuseur

(la transformée de Fourier de la densité e/f de q)

transfert de quantitéde mouvement


1 fm = 10-15 m

densité de charge vs distance

prob. de collisionvs transfert de

quantité de mouv.

La forme du noyau

20

Diffusion d’électrons de 450 MeV sur du 58Ni

Sick et al., Phys. Rev. Lett. 35, 910 (1975).


Les isotopes

21

•Soddy : les éléments radioacPfs se transforment en d’autres éléments

•En 1913, il propose l’existence d’isotopes : plusieurs variétés d’atomes ayant des poids atomiques différents pour un même élément

•Aston invente le spectromètre de masse, sépare les différents isotopes et conclut que la masse atomique d’un isotope est un mulPple enPer de celle de l’hydrogène.

Frederick Soddy (1877/1956)

Francis William Aston(1877/1945)

Nob

el 1

922

Nob

el 1

921


ApplicaPon: l’âge de la Terre

22

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Pb 206

U 238

U 235

Pb 204 (tout primordial)

Pb 207

primordial

radiogène

primordial

radiogène

3,93,01

18,5

1,0

10,0

15,6

0,0725

âge de la Terretemps, en millions d'années avant le présent

}}


Qu’y a-‐t-‐il dans le noyau ?

•1917 : Rutherford réalise la première réac.on nucléaire

•Il conclut que le noyau d’hydrogène est contenu dans tous les noyaux et consPtue une parPcule fondamentale qu’il appelle proton.

•Premier modèle: le noyau est formé de A protons et de (A–Z) électrons

•Raisonnable étant donné la désintégraPon bêta

•Mais ceci est incompaPble avec le principe d’incer.tude de Heisenberg (1926) : un électron confiné dans l’espace du noyau aurait une énergie trop grande pour y rester!

23

42He + 14

7N! 178O + 1

1H

~c = 197MeV.fm


La révoluPon: le neutron

•Les expériences de bombardement par des rayons α produisent parfois des rayons très pénétrants, durs à détecter

•Chadwick (1932) propose qu’il s’agit d’une parPcule neutre, un peu plus massive que le proton : le neutron

•La structure du noyau se clarifie : Z protons et N=A-‐Z neutrons. Les différents isotopes comportent des nombres différents de neutrons.

•Le neutron isolé est instable (demi-‐vie ~ 15 min.) mais il est stabilisé au sein des noyaux stables

24

James Chadwick(1891/1974)

Nob

el 1

935


NotaPon

25

SyAZ

nombre de masse(A=N+Z)

numéro atomiquenombre de protons

symbole chimique

nombre de neutrons

23892U

23592U

23994Pu

42He


Carte des nucléides

26


Puiser l’énergie du noyau

27

Leo Szilard (1898/1964)

0 50 100 150 200 250nombre de masse A

4 He 56Fe12C 16O

éner

gie

de li

aiso

n pa

r nuc

léon

B(A

,Z)/A

� =Zmp + (A� Z)mn �M

A

Masse du noyau

Masse du proton Masse du neutron

défaut de masse

E = mc2


Un roman prophéPque

28

H.G. Wells (1866/1946)

Certainly it seems now that nothing could have been more obvious to the people of the earlier twentieth century than the rapidity with which war was becoming impossible. And as certainly they did not see it. They did not see it until the atomic bombs burst in their fumbling hands [...] All through the nineteenth and twentieth centuries the amount of energy that men were able to command was continually increasing. Applied to warfare that meant that the power to inflict a blow, the power to destroy, was continually increasing [...]Destruction was becoming so facile that any little body of malcontents could use it [...]Before the last war began it was a matter of common knowledge that a man could carry about in a handbag an amount of latent energy sufficient to wreck half a city.


La fission nucléaire

•Certains nucléides peuvent fissioner après avoir absorbé un neutron

• Ils sont qualifiés de fissiles: 235U, 239Pu, 233U

•Découvert par Hahn & Strassmann à Berlin (1938)

•Émission de neutrons secondaires (Joliot, Halban et Kowarski)

•Possibilité donc de réac.on en chaîne

29

Nob

el 1

944

Nob

el 1

935Jo

liot

von

Hal

ban

Kow

arsk

i

Hah

nSt

rass

man

n


Les produits de la fission

30

U-235

U-233 Pu-239

65%U35%Pu

80 90

90 100

110120

130140

150160

6%

4%

2%

7%

5%

3%

1%

SrZr Tc

Pd

Sn

129I

CsCs

Sm

nombre de masse A

abon

danc

e en

tant

que

pro

duit


une leJre célèbre...

31


Le premier réacteur nucléaire

32

Enrico Fermi (1901/1954)

Nob

el 1

938


Le projet ManhaJan

•1943-‐1945 : FabricaPon d’une bombe atomique (course contre l’Allemagne)

•Beaucoup de scienPfiques des pays alliés se consacrent à un travail essenPellement appliqué

•La responsabilité des scienPfiques est mise en quesPon après les bombardements

•L’imaginaPon populaire est frappée par les possibilités de la science (et de la physique nucléaire en parPculier)

33

l’essai Trinity

130,000 personnescoût : 2 G$ (= 26 G$ de 2013)


SéparaPon isotopique

34

Usine d’Oak Ridge TN diffusion gazeuse centrifugeuses

• généraPon 1 : spectromètre de masse (calutron) • généraPon 2 : diffusion gazeuse • généraPon 3 : centrifugeuses • généraPon 4 : par laser infrarouge

Comment extraire le 235U (fissile, 0,7% de l’U naturel) ?

taux d’e↵usion / 1pm


La filière au plutonium

35

23892U+ n �! 239

92U+ �

23992U

34m�! 23993Np + e� + ⌫e

23993Np

81j�! 23994Pu + e� + ⌫e

•Le plutonium 239 est un nucléide fissile, couramment uPlisé dans l’armement nucléaire

• Il est naturellement produit par bombardement de l’uranium par des neutrons

•Un réacteur à l’uranium naturel peut produire du plutonium en abondance

•Plus facilement séparable (chimiquement)

réacteur de Hanford WA


Fat Man

36

lentilles explosivesunité demise à feu

plaque d’instrumentation

enveloppe sphérique

radar

fusibles d’autodestruction

matièrefissile


Le rêve de l’arPlleur fou...

37


...ou comment faire des ronds dans l’eau.

38


Le bikini original

39


L’énergie des étoiles

40

1939 : Hans Bethe propose le cycle de réacPons nucléaires expliquant la producPon d’énergie dans les étoiles lourdes (cycle du carbone) et les étoiles comme le soleil (proton-‐proton)

Hans Bethe (1906/2005)

p + p ! d + e+ + ⌫e + 0.42 MeV (a)p + d ! 3

2He + � + 5.49 MeV (b)32He + 3

2He ! p + p + ↵ + 12.86 MeV (c)e+ + e� ! 2� + 1.02 MeV (d)

4p + 2e� ! ↵ + 2⌫e + 26.7 MeV

interaction faible Nob

el 1

967

Ce processus est très lent en raison de lapremière réaction qui a une très faibleprobabilité. Ne peut être utilisé sur Terre


La nucléogenèse

41http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Pagel/Pagel1_3.html

http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Pagel/Pagel1_3.html


La fusion nuclaire sur Terre

42

d+ d ! 32He + n+ 3.27MeV

d+ d ! t+ p+ 4.03MeV

d+ t ! 42He + n+ 17.6MeV

t+ t ! 42He + n+ n+ 11.27MeV

63Li + n ! 4

2He + t+ 4.79MeV

d+ 32He !

42He + p+ 18.35MeV

deutéron

triton

2H


la superbombe (ou bombe H)

43

Edward Teller (1908/2003)

Stanislas Ulam(1909/1984)

Le test “Castle-Bravo”, 1er mars 195415 mégatonnes (1000 x Hiroshima)

Champignon de 30 km de hautRetombées nocives sur les îles Marshall


On commence à exagérer...

44

Castle Bravo : 15 Mt = 1200 x Hiroshima


...et les Russes ne sont pas en reste.

45

Tsar Bomba: 50 Mt = 4000 x Hiroshima


L’énergie nucléaire

46http://lenergeek.com/2012/04/10/quest-ce-que-larret-a-froid-dun-reacteur-nucleaire/

http://lenergeek.com/2012/04/10/quest-ce-que-larret-a-froid-dun-reacteur-nucleaire/


L’énergie nucléaire aujourd’hui

47http://goldstocktrades.com/blog/2012/10/11/uranium-miners-hitting-a-major-bottom-nuclear-set-to-rebound-in-2013/

http://goldstocktrades.com/blog/2012/10/11/uranium-miners-hitting-a-major-bottom-nuclear-set-to-rebound-in-2013/


ProducPon d’uranium dans le monde

48


La radiophobie

49

Many experiments have shown the effects of low dose radiation.

Damage induction/ Enhancement

Damage reduction/ Suppression

No significant biological effects

Na

tura

l b

ac

kg

rou

nd

ra

dia

tio

n102

101

100

10-1

10-2

10-3

10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102

Dose rate (Gy/hr)

Unaffected area

Biologically effective area

Harmful effects area

Do

se

(G

y)

50yr

1yr

Shedding Light on the Effects ofLow Dose Radiation

1. Uncertainty of Low Dose Radiation Effects2. Low Dose Radiation Effects3. Mapping Experimental Results

Brief Note: Kazuo Sakai, Senior Research Scientist, Low Dose RadiationResearch Center, Nuclear Technology Research Laboratory

source : Kazuo Sakai, Central Research Institute for the Electric Power Industry, Japon

•L’hypothèse linéaire sans seuil (LNT) est difficilement défendable

•Le dommage biologique dépend énormément du taux d’exposiPon et non de la dose totale

•Des effets bénéfiques à faible dose seraient peut-‐être même possibles (hormèse) … mais cela demeure controversé!


Le thorium : l’énergie du futur ?

•La filière repose sur le thorium naturel (+ abondant que l’uranium). Réserves suffisantes pour des milliers d’années d’opéraPon.

•Meilleure économie des neutrons: réacteur plus compact

•Moins de déchets sont produits, en parPculier moins de déchets à longue période: gesPon des résidus plus simple

•Possibilité d’un combusPble liquide: réacteur plus sécuritaire

•MAIS : technologie + complexe. Plusieurs décennies de développement...

50

23290Th + n �! 233

90Th + �

23390Th

32m�! 23391Pa + e� + ⌫e

23391Pa

39j�! 23392U+ e� + ⌫e

nucléide fertile

nucléide fissile


Éléments transuraniens et îlot de stabilité

51

La quête du unbihexium ou élément 126 310Ubh (N=184, Z=126)Sa demi-vie pourrait excéder la seconde, voir des millions d’années...


Finis

52

Documents

Un#siècle#de#physique#nucléaire · UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Lathéorie#atomique#de#Dalton 3 John Dalton (1766/1844) • Un type d’atome pour chaque élément • Tous les atomes