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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Noyau atomique

Noyau atomique

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. 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 les protons et les neutrons ou les nucléons (sauf celui de l'hydrogène ordinaire ou propriétaire, qui ne contient 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 numéro est appelé numéro atomique. Le nombre de masse est le total des protons et neutrons.

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

Propriétés du noyau atomique

Presque toute la masse d'un atome se trouve dans le noyau atomique, avec une très petite 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 atomique par la force nucléaire.

La force qui maintient les sous-particules ensemble dans le noyau des atomes est l'énergie obtenue dans la fusion nucléaire et les réactions de fusion nucléaire. La rupture de ces liens de force subit une perte de masse qui est convertie en énergie selon la théorie d'Albert Einstein. E = mc 2

Le diamètre du noyau est de l'ordre de 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.

Modèles de structure de noyau atomique

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

Le premier modèle de structure interne de l'atome est apparu en 1897 par Joseph John Thomson. Thomson a été le premier à identifier l'électron. Thompson a défini l'électron comme une particule subatomique de charge négative. Grâce à cette découverte, il pourrait déduire que si les atomes sont présentés avec une charge neutre et ont une particule chargée négativement, ils devraient avoir au moins une autre charge de charge positive (ce serait en proton)

Ainsi, ni le modèle atomique de Dalton ni celui de Thomson n'incluaient de description du noyau atomique. La notion de noyau atomique est née en 1911 lorsque Ernest Rutherford et ses collaborateurs Hans Geiger et Ernest Marsden ont mené un ensemble d'expériences utilisant un faisceau de rayonnement alpha et des feuilles laminées métalliques très minces.

En 1913, Niels Bohr postule que les électrons tournent à grande vitesse autour du noyau atomique, 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 plus élevé, 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 généralement deux modèles différents décrivant les noyaux atomiques:

  • Le modèle goutte de pluie
  • Le modèle de calque

Modèle atomique de goutte de liquide

Le modèle de goutte liquide est l'un des premiers modèles de structure de 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 mécanique 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 fait ce qu'on appelle un liquide de Fermi.

Ce modèle de noyau atomique n'est pas destiné à décrire la structure interne complexe du noyau mais seulement les énergies de liaison 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 des couches

Le modèle de noyau atomique des couches est un modèle qui tente de capturer une partie de la structure interne reflétée à la fois dans le moment angulaire du noyau et dans son moment angulaire. De plus, le modèle vise à expliquer pourquoi les noyaux avec un certain nombre de 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 avec des énergies similaires, la différence d'énergie interne entre deux couches est importante par rapport aux variations d'énergie interne à l'intérieur de chaque couche. Ainsi, comme les nucléons sont des fermions, un noyau atomique aura les couches d'énergie les plus basses remplies, de sorte que les nucléons ne peuvent pas tomber sur les couches inférieures déjà remplies.

Les couches ici doivent être comprises dans un sens abstrait et non pas 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 est interpénétrée avec l'espace occupé par les nucléons des autres couches, de façon analogue à la façon dont les couches électroniques interpénètrent un atome.

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Dernier examen: 30 août 2017