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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Structure de l'atome

Structure de l'atome

La base de tout ce qui a trait à l'énergie nucléaire réside dans l'atome, car la technologie nucléaire repose sur l'utilisation de l'énergie interne contenue dans les atomes. Pour cette raison, il est utile de comprendre comment un atome est structuré pour comprendre comment se produisent les réactions nucléaires (fission nucléaire ou fusion nucléaire).

Un atome est la plus petite unité constitutive de la matière ordinaire possédant les propriétés d'un élément chimique.

L'atome est composé d'un noyau et d'un ou plusieurs électrons liés au noyau. Le noyau est constitué d'un ou plusieurs protons et, typiquement, d'un nombre similaire de neutrons; les protons et les neutrons s'appellent des nucléons.

Les protons du noyau atomique sont unis par des liaisons très fortes dans lesquelles une grande quantité d'énergie est générée lorsqu'elles sont brisées ou générées. L'énergie nucléaire est basée sur la création ou la rupture de ces liens.

Particules subatomiques

L'origine du mot atome vient du grec et signifie indivisible. La conception de l'indivisible vient de l'Antiquité quand on croyait que l'atome était le plus petit élément qui puisse exister. Cependant, nous savons maintenant que l'atome est constitué de particules encore plus petites: des particules subatomiques.

L'atome contient des protons, des neutrons et des électrons, à l'exception de l'hydrogène-1 et du cation hydrogène. Dans ce cas, l'hydrogène-1 ne contient pas de neutrons et l'hydrogène ou l'hydrogène ne contient pas d'électrons. Les protons et les neutrons de l'atome s'appellent des nucléons, car ils font partie du noyau de l'atome.

En orbite autour des électrons. L'électron est la particule la plus légère de l'atome. Il a une charge électrique négative, dont la magnitude est définie comme la charge électrique élémentaire, et il est ignoré s'il a une sous-structure, il est donc considéré comme une particule élémentaire. La masse d'un proton est 1836 fois supérieure à la masse de l'électron. La charge du proton est positive. Le neutron a une masse de 1839 fois la masse de l'électron. Le neutron a une charge électrique neutre (ni positive ni négative).

Masse électronique: 9,11 · 10 -31 kg 
Masse d'un proton: 1,67 · 10 -27 kg 
Masse d'un neutron: 1,69 · 10 -27 kg

Le proton et le neutron ne sont pas des particules élémentaires, mais sont un composite d'autres particules appelées quarks. Les particules subatomiques constituent un état lié de quarks u et d. Un proton contient deux quarks u et un quark d, tandis que le neutron contient deux d et a u, ce qui correspond à la charge des deux. Les quarks sont maintenus ensemble par la force nucléaire puissante, médiée par les gluons. En plus de ces particules, il existe d'autres particules subatomiques dans le modèle standard: davantage de types de quarks, de leptons chargés (similaires à l'électron), etc.

Un quark est une particule fondamentale recueillie dans le modèle standard de la physique des particules. Les quarks ont des charges électriques égales à +2/3 et -1/3, respectivement, par rapport à la charge élémentaire.

Le noyau atomique

Le noyau de l'atome est la partie centrale de l'atome qui est composée de nucléons réunis. Le nucléon est un composant particulaire subatomique du noyau, c'est-à-dire un proton ou un neutron. Le nombre de masse d'un atome est le nombre de nucléons dans son noyau atomique.

Le volume du noyau est approximativement proportionnel au nombre total de nucléons, le nombre de masse. Les nucléons sont maintenus ensemble par la force nucléaire, qui est beaucoup plus intense que la force électromagnétique à courtes distances, ce qui permet de surmonter la répulsion électrique entre les protons.

Un atome est constitué d'un noyau central très dense, contenant des protons et des neutrons, et d'électrons se déplaçant autour du noyau à une distance relativement grande.

Les atomes d'un même élément ont le même nombre de protons, appelé le numéro atomique et est représenté par Z. Les atomes d'un élément donné peuvent avoir un nombre de neutrons différent: ils sont alors dits isotopes. L'action d'enrichissement de l'uranium consiste à modifier le nombre de neutrons dans un atome d'uranium afin d'obtenir un isotope plus instable afin de favoriser les réactions en chaîne de fission nucléaire. Les deux nombres ensemble déterminent le nucléide.

Le noyau atomique peut être altéré par des processus très énergétiques comparés aux réactions chimiques. Les noyaux instables, tels que l'uranium et le plutonium utilisés comme combustible nucléaire, subissent des désintégrations qui peuvent modifier le nombre de protons et de neutrons émettant des radiations. Un noyau lourd peut être fissioné en d'autres noyaux plus légers lors d'une réaction nucléaire ou spontanément. Au moyen d'une quantité d'énergie suffisante, deux ou plusieurs noyaux peuvent se fondre en un noyau plus lourd. Dans ce cas, il s'agirait d'une réaction de fusion nucléaire.

Dans les atomes à faible nombre atomique, les noyaux composés d'une quantité différente de protons et de neutrons ont tendance à se désintégrer en noyaux avec des proportions plus régulières et plus stables. Cependant, pour des valeurs plus élevées du nombre atomique, la répulsion mutuelle des protons nécessite une plus grande proportion de neutrons pour stabiliser le noyau.

Nuage électronique

L'électron est une particule élémentaire stable avec la plus petite charge négative existant dans la nature. Cette charge est appelée charge élémentaire, car toute charge électrique séparable est composée d'un nombre entier d'entre elles.

Les électrons, de signe négatif, sont attirés par les protons, de signe positif dans l'atome par la force électromagnétique. En raison de cette force électromagnétique, une source d'énergie externe est nécessaire pour les libérer. Plus un électron est proche du noyau, plus la force d'attraction est grande et plus l'énergie nécessaire à sa fuite est grande.

Les électrons ont tendance à former un certain type d'onde stationnaire autour du noyau de l'atome. Chacune de ces ondes est caractérisée par une orbitale atomique, une fonction mathématique qui décrit la probabilité de trouver l'électron en chaque point de l'espace. L'ensemble de ces orbitales est discret, c'est-à-dire qu'il peut être énuméré, comme il convient dans tout système quantique. Le nuage d'électrons est la région occupée par ces ondes, visualisée comme une densité de charge négative autour du noyau.

Chaque orbitale correspond à une valeur possible d'énergie pour les électrons, qui sont répartis entre eux. Le principe d'exclusion de Pauli interdit que plus de deux électrons soient dans la même orbitale. Des transitions entre différents niveaux d'énergie peuvent se produire: si un électron absorbe un photon avec suffisamment d'énergie, il peut sauter à un niveau supérieur; également à partir d'un niveau supérieur, vous pouvez vous retrouver à un niveau inférieur, rayonnant le reste de l'énergie dans un photon. Les énergies données par les différences entre les valeurs de ces niveaux sont celles observées dans les raies spectrales de l'atome.

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Dernier examen: 14 mars 2019