Menu

Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Qu'est-ce que le noyau atomique? Propriétés du noyau de l'atome

Qu'est-ce que le noyau atomique? Propriétés du noyau de l'atome

Le noyau atomique est la petite partie centrale de l'atome, avec une charge électrique positive et dans laquelle la majeure partie de la masse de l'atome est concentrée.

Le noyau de l'atome est composé de protons et de neutrons. Ces particules subatomiques dans les noyaux des atomes s'appellent ou nucléons (à l'exception des noyaux d'hydrogène qui ne contiennent qu'un seul proton).

Le même élément chimique est caractérisé par le nombre de protons dans le noyau qui détermine la charge positive totale. Ce nombre s'appelle le numéro atomique. Le nombre de masse est le nombre total de protons et de neutrons.

L'existence du noyau atomique a été déduite de l'expérience de Rutherford. Rutherford a bombardée une fine feuille d'or de particules alpha, qui sont des noyaux atomiques d'hélium émis par des roches radioactives. La plupart de ces particules ont traversé la feuille, mais certaines ont rebondi, démontrant l'existence d'un minuscule noyau atomique.

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.

Quelle est la constitution du noyau d'un atome?

Le noyau d'un atome est composé de sous-particules élémentaires appelées nucléons qui peuvent être de deux types: les protons et les neutrons.

La masse du noyau est pratiquement la même de la de l'atome. Le reste de la masse de l'atome est réparti entre les électrons, bien que les électrons pèsent très peu par rapport aux neutrons et protons.

Le diamètre du noyau est compris entre 1,75 fm pour l'hydrogène, ce qui équivaut au diamètre d'un seul proton à environ 15 fm pour les atomes plus lourds, comme l'uranium.

Le noyau atomique est décrit par les nombres suivants:

  • Numéro atomique, Z, qui est égal au nombre de protons.

  • Nombre de neutrons, N.

  • Nombre de masse ou masse atomique, A = Z + N, qui est égal au nombre de nucléons (protons plus neutrons).

Deux modèles nucléaires peuvent être utilisés pour étudier les propriétés du noyau atomique :

  • le modèle en couches.

  • le modèle de la goutte liquide.

Comment les protons sont-ils maintenus ensemble?

Les neutrons sont neutres et les protons ont une charge positive. La tendance des protons serait de se séparer les uns des autres, mais une interaction forte les maintient ensemble.

L'énergie de liaison qui maintient les nucléons ensemble est l'énergie obtenue dans les réactions de fusion nucléaire. En rompant les liaisons de force, une perte de masse est ressentie, qui est convertie en énergie selon la théorie de la relativité formulée par  d'Albert Einstein: E = mc 2

Certains noyaux ne sont pas stables car leur énergie de liaison n'est pas suffisante. Ces noyaux ont la tendance à se transformer spontanément en un noyau plus stable par émission d'un rayonnement.

Cette instabilité est due au grand nombre de nucléons qui fait diminuer l'énergie unitaire de chaque liaison dans le noyau, le rendant moins cohérent.

C'est pour ça que s'utilise de l'uranium pour le combustible nucléaire, car il est un des atomes les plus lourds.

Exemple de noyau atomique : Le carbone

Le carbone 12 et le carbone 14 sont des isotopes de l'atome de carbone.

L'atome de carbone a toujours 6 protons.

 Il a généralement 6 neutrons aussi, c'est pourquoi nous l'appelons carbone 12. Mais parfois il y a 8 neutrons au lieu de 6, c'est-à-dire quand il devient du carbone 14. Dans les réactions chimiques, le carbone 12 et le carbone 14 se comportent de même. Le carbone est généralement à l'état C 12, mais parfois il est également disponible en C 14.

Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire ?

Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques.

Il existe deux types de réactions nucléaires: la fission et la fusion.

La fission est la rupture du noyau de l'atome (séparant les protons et les neutrons les uns des autres).

La fusion nucléaire est au contraire l'association, la réunion de deux noyaux pour former un nouveau noyau unique. La propriété remarquable de cette réaction est le fait que la masse du noyau produit est légèrement inférieure à la somme des masses des noyaux initiaux. En raison de l'équivalence entre masse et énergie, cette perte de masse correspond à une libération d'énergie.

Qu'est-ce qu'un isotope?

Les isotopes d'un élément chimique sont des atomes de même numéro atomique Z (nombre de protons) mais nombre de masse différent A (protons plus neutrons ). Autrement dit, leurs noyaux atomiques ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. 

Les propriétés chimiques des isotopes du même atome sont les mêmes. En revanche, les propriétés physiques des noyaux atomiques peuvent être très différentes.

Si la relation entre le nombre de protons et de neutrons n'est pas appropriée pour la stabilité nucléaire, l'isotope est instable, et donc radioactif.

 

Qu'est-ce qu'une isomérie nucléaire ?

Un isomère nucléaire est un état métastable d'un noyau atomique , produit par l'excitation d'un ou plusieurs de ses nucléons (protons ou neutrons).

Il existe des isomères dont les demi-vies sont très longues, mesurées en minutes, heures et même années.

Un isomère nucléaire retombe à son état fondamental en subissant une transition isomérique, qui se traduit par l'émission de photons énergétiques, rayons X ou rayons γ, correspondant à l'énergie d'excitation.

Que sont les modèles atomiques?

Les modèles atomiques sont des théories qui ont été développées à travers l'histoire. L'objectif des différents modèles est de définir à quoi ressemble la structure d'un atome d'un point de vue scientifique.

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

Le premier modèle de la structure interne de l'atome est apparu en 1897 par Joseph John Thomson. Thomson a été le premier à identifier l'électron, qui avait une charge négative.

Grâce à cette découverte, il a pu déduire que si les atomes sont présentés avec une charge neutre, il doit y avoir des particules chargées positivement qui neutralisent la charge des électrons (ce serait en proton)

Ernest Rutherford a découvert le noyau atomique en 1911.

En 1913, Niels Bohr postulait que les électrons tournent à grande vitesse autour du noyau atomique, chargés d'énergie cinétique. Les électrons sont disposés sur différentes orbites circulaires, qui déterminent différents niveaux d'énergie.

Auteur :

Date de publication : 15 janvier 2013
Dernier examen : 12 octobre 2020