noyau (suite)
Intérêt des nucléons
• Les protons sont des particules très utilisées dans les accélérateurs* de particules ; il suffit de dépouiller un atome d’hydrogène de son négaton pour n’en conserver que le noyau, qui est un proton. Les particules peuvent être accélérées jusqu’à des énergies de plusieurs dizaines de GeV (109 eV) par l’application de champs électriques ou magnétiques et utilisées comme projectiles pour l’étude des réactions nucléaires ou envoyées sur une cible dans laquelle les réactions nucléaires qu’elles provoquent sont la source de particules de différents types.
• Le neutron ne peut subsister qu’à l’état lié à l’intérieur du noyau ; libre, il est radioactif et se désintègre rapidement (période : 17 mn). Les neutrons, n’étant pas ionisants, sont invisibles à la chambre de Wilson ; on ne peut voir que leurs effets indirects : projections de particules chargées ou réactions nucléaires lors de leurs chocs contre les atomes.
N’ayant aucune charge, les neutrons peuvent pénétrer facilement dans les noyaux ; ils constituent de ce fait, biologiquement, un rayonnement extrêmement dangereux. Selon leur énergie, on a coutume de les classer en différentes catégories (tableau II).
La probabilité d’interaction entre un neutron et un noyau donné est appelée section efficace microscopique totale (σ) ; cette grandeur, qui s’exprime en barns (10–28 m2), augmente en général très rapidement pour chaque nucléide quand l’énergie du neutron diminue. (Le tableau III montre la variation de σ avec l’énergie des neutrons pour quelques matériaux.) Parmi tous les processus d’interaction possibles entre un neutron et un noyau, la réaction de capture (le neutron est absorbé par un noyau) a un rôle capital ; sa probabilité est généralement maximale pour les neutrons thermiques. (Le tableau IV donne quelques valeurs de la section efficace microscopique de capture σc des neutrons thermiques pour quelques éléments.)
Transformation des nucléons entre eux
Protons et neutrons ne sont pas des particules absolument distinctes : les protons peuvent se transformer en neutrons, et inversement, ces transformations étant liées à certaines émissions radioactives.
Si un neutron se transforme en proton, cas le plus probable étant donné qu’il y a prédominance de neutrons dans les noyaux lourds,
on voit apparaître une éjection de négaton : c’est une émission bêta moins.
Inversement, si un proton se transforme en neutron,
cette transformation est accompagnée de l’éjection d’un positon, chargé d’électricité positive : c’est une émission bêta plus.
Les réactions précédemment écrites ne sont pas entièrement correctes, car on ne retrouve pas finalement toute l’énergie que prévoit le principe de la conservation. On a donc été amené (Pauli*) à penser qu’il pouvait exister une certaine particule susceptible de « faire l’appoint », le neutrino, de masse nulle, de charge nulle et se déplaçant à la vitesse de la lumière.
Ces réactions doivent donc normalement s’écrire :
neutron → proton + β– + neutrino,
proton → neutron + β+ + neutrino,
le dernier terme étant le terme correctif.
Des expériences, dont les premières datent de 1954, ont effectivement démontré l’existence de cette particule.
Les antiparticules
Le proton a été mis en évidence en 1920 par Rutherford*, et c’est en 1932 que Chadwick* découvrit le neutron.
À ces particules on a trouvé des antiparticules.
L’antiproton, noyau d’hydrogène chargé négativement, a été photographié pour la première fois en 1955 par Chamberlain et Segrè. Cette particule ne peut avoir, comme le proton, d’existence à l’état libre ; la rencontre d’un proton et d’un antiproton donne naissance à deux mésons, particules qui ont été décelées par Anderson* et Neddermeyer en 1936 dans les rayons cosmiques.
L’antineutron a été détecté en 1956 en lançant un antiproton sur un noyau.
Si l’on envisage d’une façon générale un noyau négatif avec un cortège de positons, on réalise ainsi un noyau d’antimatière, lequel se détruirait automatiquement au contact de la matière pour donner des quantités considérables d’énergie.
Si nous avions un antiproton comme noyau et un positon gravitant autour de celui-ci, c’est-à-dire un atome d’hydrogène dont les charges seraient inversées par rapport à la conception classique, on aurait ainsi un atome d’antihydrogène ; on a effectivement réalisé (1970) un antihélium 3.
P. R.
➙ Atome / Isotopes / Particules élémentaires.
A. Berthelot, le Noyau atomique (Gauthier-Villars, 1948). / W. Heisenberg, la Physique du noyau atomique (A. Michel, 1954). / R. D. Evans, le Noyau atomique (Dunod, 1961).
L’étude du noyau
Félix Bloch,
physicien américain d’origine suisse (Zurich 1905). Il a découvert l’induction nucléaire, permettant l’étude du champ magnétique intérieur au noyau, et déterminé le moment magnétique du neutron. Prix Nobel de physique en 1952.
Walther Wilhelm Bothe,
physicien allemand (Oranienburg 1891 - Heidelberg 1957). En collaboration avec H. Becker, il a découvert en 1930 le rayonnement de neutrons, obtenu par action de particules alpha sur le béryllium. Il est aussi l’inventeur de la méthode des coïncidences dans l’emploi des compteurs de particules. Prix Nobel de physique en 1954.
George Anthony Gamow,
physicien américain d’origine russe (Odessa 1904 - Boulder, Colorado, 1968). Auteur de travaux sur la structure de l’atome et de son noyau, il a imaginé la « crête de Gamow », barrière de potentiel défendant l’accès du noyau, et fourni l’explication des transformations radioactives. On peut citer ses recherches sur la cosmologie relativiste, l’origine des éléments chimiques, les réactions nucléaires dans les étoiles.
Maria Goeppert-Mayer,
physicienne américaine d’origine allemande (Katowice 1906 - San Diego, Californie, 1972). Elle est l’auteur d’une théorie relative à la structure du noyau, qui serait formé de couches de nucléons superposées. Prix Nobel de physique en 1963.
Robert Hofstadter,
physicien américain (New York 1915). Grâce à des expériences de diffusion d’électrons dans divers noyaux atomiques, il a pu préciser la répartition des charges de ces noyaux. Prix Nobel de physique en 1961.
Hans Daniel Jensen,
physicien allemand (Hambourg 1907 - Heidelberg 1973). Il a créé en 1949, indépendamment de M. Goeppert-Mayer, une théorie relative à la structure du noyau. Prix Nobel de physique en 1963.
Edward Mills Purcell,
physicien américain (Taylorville, Illinois, 1912). Il montra l’existence d’hydrogène dans l’espace interstellaire et détermina le moment magnétique des noyaux d’atomes. Prix Nobel de physique en 1952.
Isaac Isidor Rabi,
physicien américain (Rymanow, Galicie, 1898). Ses travaux portèrent sur le spin et les propriétés électriques et magnétiques du noyau. Il a découvert en 1938 le phénomène de résonance magnétique. Prix Nobel de physique en 1944.
Eugene Paul Wigner,
physicien américain d’origine hongroise (Budapest 1902). Il a étudié les interactions entre nucléons et découvert l’effet Wigner, déplacement d’un atome dans un réseau cristallin sous l’action des neutrons. Prix Nobel de physique en 1963.