Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Noyau atomique

Noyau atomique

Le noyau de l'atome est la petite partie centrale de l'atome, à charge électrique positive et dans lequel est concentrée la majeure partie de la masse de l'atome. Il a été découvert par Ernest Ruthenford en 1911. Après la découverte du neutron, en 1932, le modèle du noyau atomique a été rapidement développé par Dmitri Ivanenko et Werner Heisenberg.

Les principales particules subatomiques des noyaux d'atomes sont des protons et des neutrons ou des nucléons (à l'exception de l'hydrogène ordinaire ou propre, qui ne contient qu'un proton). Le même élément chimique est caractérisé par le nombre de protons dans le noyau qui détermine la charge positive totale. Ce numéro s'appelle un numéro atomique. Le nombre de masse est le total des protons et des neutrons.

La physique nucléaire est la branche scientifique responsable de l'étude et de la compréhension du noyau atomique, y compris des forces qui l'unissent et de sa composition.

Propriétés du noyau atomique

Presque toute la masse d'un atome se trouve dans le noyau de l'atome, avec une très faible contribution du nuage d'électrons car les électrons pèsent très peu par rapport aux neutrons et aux protons. Les protons et les neutrons se rejoignent pour former le noyau de l'atome grâce à la force nucléaire.

La force qui maintient ensemble les sous-particules dans le noyau des atomes est l'énergie obtenue dans les réactions de fusion nucléaire et de fusion nucléaire. Lorsque ces liens de force sont rompus, on assiste à une perte de masse qui devient énergie selon la théorie d'Albert Einstein. E = mc 2

Le diamètre du noyau se situe dans la plage de 1,75 µm pour l'hydrogène, ce qui correspond au diamètre d'un seul proton à environ 15 µm pour les atomes les plus lourds, tels que l'uranium.

Modèles de structure du noyau atomique

La première proposition sur la structure interne du noyau atomique a été élaborée en 1808 par le chimiste anglais John. Selon la proposition de Dalton, toute matière est composée d'atomes indivisibles et invisibles. A cette époque, il n'y avait pas de particules plus petites; pour Dalton, l'existence du noyau atomique était inconnue.

El primer modelo de estructura interna del átomo apareció en 1897 a través de Joseph John Thomson. Thomson fue el primero en identificar el electrón. Thompson definió el electrón como partícula subatómica de carga negativa. A través de este descubrimiento pudo deducir que si los átomos se presentan con una carga neutra y poseen una partícula cargada negativamente tendrían que poseer al menos otra carga de carga positiva (sería en protón)

Así ni el modelo atómico de Dalton ni el de Thomson incluían ninguna descripción del núcleo atómico. La noción de núcleo atómico surgió en 1911 cuando Ernest Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron un conjunto de experimentos utilizando un haz de radiación alfa y hojas laminadas metálicas muy delgadas.

En 1913, Niels Bohr postule que les électrons tournent à grande vitesse autour du noyau de l'atome, chargé d'énergie cinétique. Les électrons sont disposés sur diverses orbites circulaires, qui déterminent différents niveaux d'énergie. L'électron peut accéder à un niveau d'énergie supérieur, pour lequel il a besoin d'absorber de l'énergie. Pour revenir à son niveau d'énergie d'origine, il est nécessaire que l'électron émette l'énergie absorbée (par exemple, sous forme de rayonnement).

Il existe couramment deux modèles différents décrivant les noyaux atomiques:

  • Le modèle de la goutte d'eau
  • Le modèle de calque

Modèle atomique de goutte liquide

Le modèle de gouttes liquides est l'un des premiers modèles de la structure du noyau atomique. Dans ce modèle atomique, le noyau est un fluide formé de neutrons et de protons, avec une force électrostatique interne répulsive proportionnelle au nombre de protons. La nature quantique de ces particules apparaît à travers le principe d'exclusion de Pauli. Le principe d'expulsion de Pauli stipule qu'il ne peut pas y avoir deux nucléons du même type dans le même état. Ainsi, le fluide est en réalité ce qu'on appelle un liquide de Fermi.

Ce modèle de noyau atomique n'essaie pas de décrire la structure interne complexe du noyau mais uniquement les énergies de connexion entre neutrons et protons, ainsi que certains aspects des états excités d'un noyau atomique qui se reflètent dans les spectres nucléaires.

Modèle de structure atomique de couches

Le modèle de couches de noyau atomique est un modèle qui tente de capturer une partie de la structure interne reflétée à la fois dans le moment cinétique du noyau et dans son moment cinétique. De plus, le modèle vise à expliquer pourquoi les noyaux comportant plusieurs nucléons (neutrons et protons) sont plus stables.

L'explication du modèle est que les nucléons sont regroupés en couches. Chaque couche est formée par un ensemble d'états quantiques d'énergies similaires, la différence d'énergie interne entre deux couches est grande par rapport aux variations d'énergie interne au sein de chaque couche. Ainsi, étant donné que les nucléons sont des fermions, un noyau atomique aura les couches d'énergie inférieure pleines, de sorte que les nucléons ne peuvent pas tomber sur des couches inférieures déjà pleines.

Les couches ici doivent être comprises dans un sens abstrait et non comme des couches physiques comme les couches d'un oignon, en fait, la forme géométrique de l'espace occupé par un nucléon dans un état donné d'une couche s'interpénètre avec l'espace occupé par les nucléons d'autres couches, analogue à l'interpénétration des couches électroniques dans un atome.

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Dernier examen: 30 août 2017