Physique nucléaire
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2008-07-15T05:05:31Z
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{{sciences}}
La '''physique nucléaire''' est la science qui étudie non seulement le [[noyau atomique]] en tant que tel (élaboration d'un modèle théorique) mais aussi la façon dont il interagit lorsqu'une particule arrive "à proximité" (l'ordre de grandeur est 10<sup>-12</sup> [[Mètre|cm]], on parle couramment en physique nucléaire de [[section efficace]] dont l'unité est le [[barn]] soit 10<sup>-24</sup> cm<sup>2</sup>) du noyau (obtention de résultats expérimentaux).
Après un bref rappel historique, cet article se consacre à décrire :
* la '''[[structure nucléaire]]''', qui vise à comprendre comment les [[nucléon]]s ([[proton]]s et [[neutron]]s) interagissent pour former le noyau.
* les '''mécanismes des réactions nucléaires''' dont le but est de décrire les différentes façons qu'ont les noyaux d'interagir : [[Fission nucléaire|fission]], [[Fusion nucléaire|fusion]], [[Diffusion des ondes|diffusion]] (élastique, inélastique), [[radioactivité]]...
* les '''domaines d'applications de la physique nucléaire''' : de la [[médecine]] à l'[[astrophysique]], en passant par la production d'[[Énergie nucléaire|énergie]], tous ces domaines d'activité exploitent la physique des interactions rayonnement-matières.
* les '''organismes de recherche''' en physique nucléaire, en France et dans le monde.
== Introduction ==
La matière est constituée de [[molécule]]s, elles-mêmes constituées d'[[atome]]s. Ces atomes sont formés d'un [[noyau atomique|noyau]] central entouré par un nuage électronique. La physique nucléaire est la science qui s'intéresse à l'ensemble des phénomènes physiques faisant intervenir le noyau atomique. En raison de la taille microscopique de celui-ci, les outils mathématiques utilisés s'inscrivent essentiellement dans le cadre du formalisme de la [[mécanique quantique]].
Le [[noyau atomique]] est constitué de [[nucléon]]s, qui se répartissent en [[proton]]s et en [[neutron]]s. Les protons sont des particules qui possèdent une [[charge électrique]] élémentaire positive, alors que les neutrons sont des particules neutres. Ils n'ont qu'un moment magnétique, et ne sont donc que peu sensibles au [[champ électromagnétique]], contrairement aux protons. Si l'on assimilait le noyau atomique à une sphère dure, le rayon de cette sphère serait de quelques [[fermi]]s, 1 fermi valant 10<sup>-15</sup> mètres (1 fermi = 1 femtomètre). Les noyaux possédant la même valeur de Z, c'est-à-dire le même nombre de protons, et n'ayant pas le le même nombre de neutrons sont appelés [[isotope]]s.
== Le noyau dans l'Histoire ==
Jusqu'au tournant du {{s-|XX|e}}, on a cru que les [[atome]]s étaient les constituants ultimes de la matière. La découverte de la [[radioactivité]] en 1896 par [[Henri Becquerel]] et les études qui suivirent, en particulier par les époux [[Marie Curie|Curie]], commencèrent de suggérer que les atomes étaient peut-être eux-mêmes des objets composés. Comment, sinon, la matière pourrait elle émettre spontanément des particules comme dans le cas de la radioactivité alpha ?
C’est en 1911 que [[Ernest Rutherford|Rutherford]] découvrit que les [[atomes]] semblaient effectivement être des objets composés. En analysant la [[diffusion des ondes|diffusion]] de particules alpha émises par une source radioactive à travers une feuille d'or, il en vint à conclure que ''le plus simple semble de supposer que l'atome contient une charge [électrique] centrale distribuée dans un volume très petit '' ("it seems simplest to suppose that the atom contains a central charge distributed through a very small volume...", [[Philosophical Magazine]], Series 6, vol. 21, May 1911, p. 669-688). Le modèle de Rutherford de l'atome était donc un noyau central possédant une charge électrique entouré par des électrons maintenus en orbite par l'interaction électromagnétique. Il avait déjà été proposé en 1904 par Nagaoka.
En 1919, Rutherford toujours découvre l'existence dans le noyau du [[proton]], particule possédant une charge positive élémentaire ''e'', mais possédant une masse beaucoup plus grande que celle de l'[[électron]] (qui lui a une charge électrique élémentaire négative). En 1932, [[James Chadwick|Chadwick]] met en évidence l'existence du neutron, particule très semblable au proton, hormis le fait qu'il ne possède pas de charge électrique (d'où son nom). À la même période, [[Werner Heisenberg|Heisenberg]] propose que le noyau atomique est en fait constitué d'un ensemble de protons et de neutrons.
== [[Structure nucléaire]] ==
L'[[interaction forte]] maintient la cohésion des nucléons au sein du noyau. C'est la plus intense des quatre [[interaction élémentaire|forces fondamentales]] de la nature (d'où son nom). Elle se caractérise par le fait qu'elle est fortement attractive à courte distance (lorsque les nucléons se rapprochent très près l'un de l'autre), répulsive à "moyenne" distance, et s'annule à longue distance. Les protons étant des particules chargées, ils interagissent également via l'[[Loi de Coulomb|interaction coulombienne]]. Si le nombre de protons dans le noyau est important, cette dernière prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantité d'énergie qui assure la cohésion du noyau est appelée [[énergie de liaison atomique|énergie de liaison du noyau]].
{{Article détaillé|Structure nucléaire}}
== Les réactions nucléaires ==
Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de l'[[état quantique]] d'un ou plusieurs noyaux. Participent alors à la réaction protons et neutrons (notés respectivement ''p'' et ''n''), mais également d'autres particules, tels les électrons e<sup>-</sup>, les positons e<sup>+</sup>...
Les réactions nucléaires peuvent être de plusieurs types. Pour ne citer que les plus importantes :
* la [[fission nucléaire|fission]] : un noyau lourd se brise en plusieurs fragments. C'est ce type de réaction qui est mis en œuvre dans les bombes atomiques de type A, et, dans un but plus pacifique, dans les [[centrale nucléaire|centrales nucléaires]].
* la [[fusion nucléaire|fusion]] : plusieurs noyaux légers fusionnent. C'est le mode de production d'énergie des étoiles. La fusion nucléaire est à la source de la [[nucléosynthèse]] qui permet d'expliquer la genèse de tous les éléments du [[tableau périodique]] de [[Dmitri Mendeleïev|Mendeleïev]] et de leurs [[isotopes]]. C'est également le type de réaction qui est utilisé dans les bombes dites à hydrogène. L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise est l'objet du projet international [[ITER]].
* la [[radioactivité]] : un noyau émet une ou plusieurs particules spontanément. On distingue la [[Radioactivité α|radioactivité <math>\alpha</math>]], où un noyau d'hélium est émis; la [[Radioactivité β|radioactivité <math>\beta</math>]] où sont émis soit un [[électron]] et un anti-neutrino électronique (<math>\beta^{-}</math>), soit un [[positron]] et un [[neutrino]] électronique (<math>\beta^{+}</math>) et la [[Rayon gamma|radioactivité <math>\gamma</math>]] par laquelle un noyau perd son énergie par un rayonnement électromagnétique de haute énergie.
* réactions de ''knock-out'' ou spallation : des particules légères ([[neutron]]s par exemple) sont envoyées sur un noyau cible et expulsent un ou plusieurs [[nucléon]]s de ce noyau.
* réactions de [[Diffusion des ondes|diffusion]] (élastique ou inélastique) : des particules légères ou des noyaux, qui constituent le projectile, sont envoyés sur un noyau cible mais de façon à éviter une collision frontale. Le projectile est dévié par la cible mais a modifié l'état de cette dernière. Dans le cas d'une [[diffusion élastique]], l'énergie de la cible n'est pas modifiée, au contraire d'une [[diffusion inélastique]].
== Applications de la physique nucléaire ==
=== Astrophysique ===
La [[nucléosynthèse]] explique la fabrication dans l’Univers des divers noyaux qui le constituent actuellement. Deux processus bien distincts sont cependant nécessaires pour expliquer l'abondance des différents éléments chimiques dans l'univers :
* Dans une première phase, lors du [[Big Bang]], sont formés à partir de l'[[hydrogène]], les noyaux de {{exp|2}}H ([[deutérium]]), {{exp|3}}[[hélium|He]], {{exp|4}}[[hélium|He]] et {{exp|7}}[[Lithium|Li]]. Aucun élément plus lourd n'est synthétisé, car cette phase est relativement courte. Or, pour former des éléments plus lourds que le lithium, il est nécessaire d'avoir recours à une réaction faisant intervenir trois noyaux d'hélium, dite [[réaction triple alpha]]. Ce type de réaction est extrêmement difficile à réaliser et ne peut se faire que sur des période beaucoup plus longues que les quelques minutes de la nucléosynthèse primordiale.
* La suite de la nucléosynthèse se produit ainsi au cœur des [[étoile]]s. On parle alors de [[nucléosynthèse stellaire]]. Celle-ci se scinde d'ailleurs en deux procédés : la nucléosynthèse lente, ayant lieu dans les étoiles, qui permet de synthétiser les éléments plus légers que le [[fer]], puis la nucléosynthèse explosive, produite uniquement lors des explosions d'étoiles, appelées [[supernova]]e. On parle alors de nucléosynthèse explosive.
{{Article détaillé|Nucléosynthèse stellaire}}
{{Article détaillé|Nucléosynthèse primordiale}}
=== Archéologie ===
{{Article détaillé|Datation radioactive}}
=== Médecine ===
La [[médecine nucléaire]] repose sur l'utilisation de sources radioactives et de l'interaction de ces sources avec les tissus humains. Cette interaction est exploitée à des fins de diagnostic ([[radiologie]] par exemple) ou de traitement ([[radiothérapie]]). À partir des années 1980 se sont développées les techniques d’imagerie par [[résonance magnétique nucléaire]] (IRM) qui font appel aux propriétés magnétiques des noyaux.
{{Article détaillé|Médecine nucléaire}}
{{Article détaillé|Radiothérapie}}
=== Production d'énergie ===
La production d'énergie nucléaire peut avoir deux origines : la [[fission]] d'un noyaux lourd (famille des actinides comme l'uranium) ou la [[fusion]] de noyaux légers (de type [[deutérium]], [[tritium]]).
La production d'énergie peut être :
* brêve et intense : c'est le principe d'une [[Arme nucléaire|bombe nucléaire]],
* contrôlée (à des fins de production civile mais aussi militaire).
==== Production d'énergie contrôlée ====
Actuellement, les industriels ne savent exploiter que l'énergie qui provient de la fission des noyaux lourds. L'énergie est ensuite utilisée :
* soit pour produire de l'électricité, c'est le cas des centrales nucléaires {{Article détaillé|Centrale nucléaire}}
* soit pour permettre de mouvoir un véhicule, particulièrement dans le domaine maritime (porte-avions, sous-marins à propulsion nucléaire) et de l'aérospatiale {{Article détaillé|Propulsion nucléaire thermique}}.
L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise est l'objet du projet international [[ITER]].
==== Application militaire (bombe nucléaire) ====
{{Article détaillé|Bombe A}}
{{détails|Bombe H}}
==Organismes de recherche en Physique Nucléaire==
===En France===
* [[Commissariat à l'énergie atomique|Commissariat à l’énergie atomique]] (CEA)
* [[Centre national de la recherche scientifique]] (CNRS)
* [[Grand accélérateur national d'ions lourds|Grand accélérateur national d’ions lourds]] (GANIL, Caen)
* [[Institut de physique nucléaire d'Orsay|Institut de physique nucléaire]] (IPN, Orsay)
* [[Laboratoire de l'accélérateur linéaire|Laboratoire de l’accélérateur linéaire]] (LAL, Orsay)
* [[Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse]] (CSNSM, Orsay)
* [[Imagerie et modélisation en neurobiologie et cancérologie]] (IMNC, Orsay)
* [[Synchrotron soleil]] (Saclay)
* [[European synchrotron radiation facility]] (ESRF, Grenoble)
* [[Institut Laue-Langevin]] (ILL, Grenoble)
* [[Laboratoire Léon Brillouin]] (LLB, Orsay)
* [[Laboratoire national Henri Bequerel]] (Saclay)
* [[Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan|Centre d’études nucléaires de Bordeaux Gradignan]] (CENBG, Bordeaux Gradignan)
* [[Institut de physique nucléaire de Lyon|Institut de physique nucléaire]] (IPN, Villeurbanne)
* [[Laboratoire de physique corpusculaire]] ([[Laboratoire de physique corpusculaire de Caen|LPC Caen]], [[Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand|Clermont-Ferrand]])
* [[Institut pluridisciplinaire Hubert Curien]] (IPHC, Strasbourg)
* [[Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies]] (LPNHE, Paris Jussieu)
===En Europe===
* [[Organisation européenne pour la recherche nucléaire|Conseil Européen de Recherche Nucléaire]] (CERN)
===Dans le monde===
* [[Laboratoire national d'Oak Ridge|Oak Ridge National Laboratory]] (ORNL)
* [[Laboratoire national de Los Alamos|Los Alamos National Laboratory]] (LANL)
* [[Argonne National Laboratory]] (ANL)
== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Radioactivité]]
* [[Fission nucléaire]]
* [[Fusion nucléaire]]
* [[Physique des particules]]
* [[Mécanique Quantique]]
* [[Energie nucléaire]]
* [[Bombe A]]
* [[Bombe H]]
* [[Bombe à neutrons]]
* [[Bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki]]
* [[Hibakusha]]
{{Wikiversity|Principes de la physique nucléaire}}
=== Liens externes ===
* {{fr}} [http://www-phynu.cea.fr Service de Physique Nucléaire CEA/DAM, France]
* {{fr}} [http://www.in2p3.fr Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (In2p3), France]
* {{fr}} [http://www.ganil.fr Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), France]
* {{fr}} [http://www.cea.fr Commissariat à l'Energie Atomique (CEA), France]
* {{en}} [http://www.gsi.de Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Allemagne]
* {{en}} [http://www.jinr.dubna.su Joint Institute for Nuclear Research (JINR), Russie]
* {{en}} [http://www.anl.gov Argonne National Laboratory (ANL), États-Unis]
* {{fr}} [http://public.web.cern.ch/public/Welcome-fr.html Centre Européen de Recherches Nucléaires, Suisse]
* {{en}} [http://www.riken.go.jp/engn/index.html Riken, Japon]
== Bibliographie ==
=== Ouvrages de vulgarisation ===
* James M. Cork ; ''Radioactivité & physique nucléaire'', Dunod (1949).
=== Ouvrages d'initiation ===
* {{monde subatomique}}
* Luc Valentin ; ''Noyaux et particules - Modèles et symétries'', Hermann (1997).
* David Halliday ; ''Introduction à la physique nucléaire'', Dunod (1957).
=== Ouvrages de physique fondamentale ===
* Irving Kaplan ; ''Nuclear physics'', the Addison-Wesley Series in Nuclear Science & Engineering, Addison-Wesley (1956).
* [[Aage Bohr|A. Bohr]] & [[Ben Mottelson|B. Mottelson]] ; ''Nuclear Structure'', 2 vol., Benjamin (1969-1975). Volume 1 : ''Single Particle Motion'' ; Volume 2 : ''Nuclear Deformations''. Réédité par World Scientific Publishing Company (1998), ISBN 9810231970.
* P. Ring & P. Schuck; ''The nuclear many-body problem'', Springer Verlag (1980), ISBN 354021206X
* A. de Shalit & H. Feshbach; ''Theoretical Nuclear Physics'', 2 vol., John Wiley & Sons (1974). Volume 1 : ''Nuclear Structure''; Volume 2 : ''Nuclear Reactions'', ISBN 0471203858
{{Portail physique}}
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