Physique nucléaire

(1)

Par Tilahun TESFAYE

African Virtual university Université Virtuelle Africaine Universidade Virtual Africana

Physique nucléaire

(2)

Note

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http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

License (abréviation « cc-by »), Version 2.5.

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Université Virtuelle Africaine

I. Physique nucléaire _________________________________________ 5 II. Prérequis / connaissances préalables nécessaires _________________ 5 III. Volume horaire / temps ______________________________________ 5 IV. Matériel didactique _________________________________________ 5 V. Justification / importance du module ___________________________ 5 VI. Contenu__________________________________________________ 7 6.1 Aperçu du module ______________________________________ 7 6.2 Contour / grandes lignes __________________________________ 8 6.3 Représentation graphique _________________________________ 9 VII. Objectifs généraux _________________________________________ 9 VIII. Objectifs spécifiques liés aux activités d'apprentissage ____________ 10 IX. Évaluation préliminaire/Pré-évaluation _________________________ 11 X. Activités d'enseignement et d'apprentissage ____________________ 23 XI. Liste complète des concepts clés (glossaire) ____________________ 92 XII. Liste complète des lectures obligatoires ________________________ 95 XIII. Synthèse du module _______________________________________ 96 XIV. Évaluation sommative ______________________________________ 97 XV. Références bibliographiques ________________________________ 116 XVI. Auteur du module ________________________________________ 117 XVII. Fichiers d'accompagnement _______________________________ 118

Table des maTières

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Note

Avant-propos

Ce module contient trois sections principales.

La première section est l’introduction. Celle-ci comporte cinq parties : - Titre : Le titre du module est décrit clairement.

- Prérequis / Connaissances préalables nécessaires : Cette partie vous fournit l’information à propos des connaissances et des habiletés qui sont requises pour commencer l’étude de ce module. Lisez attentivement les prérequis de ce module puisqu’ils vous permettront de déterminer si vous devez réviser certains concepts ou non.

- Temps d’apprentissage : Cette partie sert à donner la durée totale (en heures) requise pour apprendre ce module. Tous les tests personnels, les activités et les évaluations doivent être faits en respectant les temps spécifiés.

- Matériel didactique : Vous trouverez dans cette partie la liste du matériel requis pour suivre ce module. Une partie de ce matériel se trouve dans la trousse pour le cours que vous avez reçu sur un CD-Rom ou auquel vous avez pu accéder par internet. Le matériel recommandé pour réaliser les expériences peut être obtenu par l’entremise de votre institution hôte. Les institutions partenaires de l’Université Virtuelle Africaine ou les étudiants peuvent aussi acheter ou emprunter ce matériel par d’autres moyens.

- Justification / Importance du module : Dans cette partie, vous trouverez les réponses aux questions telles que : «Pourquoi devrais-je étudier ce module en tant que futur stagiaire et futur enseignant ? Quelle est la pertinence de ce module pour ma carrière ?»

La deuxième section s’intitule «Contenu» et se divise en trois parties : Aperçu du module : Le contenu de ce module est brièvement présenté. Dans cette section, vous allez trouver un fichier vidéo (Quicktime, movie) qui contient une entrevue avec l’auteur de ce module. Par la suite, le paragraphe «aperçu du module»

est suivi des «grandes lignes» du contenu qui incluent les temps approximatifs requis pour apprendre chacune des sections. Une représentation graphique illustrant l’organisation du contenu est ensuite présentée. Ces trois parties vont vous aider à comprendre comment est organisé ce module.

Objectifs généraux : Des objectifs clairs, concis et faciles à comprendre sont indiqués afin que vous sachiez quels niveaux de connaissances et d’habiletés vous devez avoir atteints et quelles attitudes vous devez avoir acquises à la fin de l’étude de votre module.

Objectifs spécifiques liés aux activités d’enseignement et d’apprentissage : Chacun des objectifs spécifiques énoncés dans cette partie est au cœur d’une activité d’enseignement et d’apprentissage. Les unités, les éléments et les thèmes de ce module

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vous permettront d’atteindre les objectifs spécifiques; tous les travaux à faire sont basés sur les objectifs qui doivent être atteints.

Vous êtes priés de porter une très grande attention aux objectifs spécifiques puisqu’ils vous permettront d’orienter l’étude de votre module vers ce qui est le plus important.

La troisième section occupe la majeure partie de ce module. Dans cette section, vous passerez la plupart de votre temps aux activités d’enseignement et d’apprentissage.

L’essentiel des neuf composantes de cette section est énoncé ci-dessous :

Pré-évaluation : Cette partie contient une série de questions qui vont permettre d’éva- luer votre niveau de préparation par rapport aux objectifs spécifiques de ce module.

Les questions de la pré-évaluation vont vous aider à identifier ce que vous connaissez déjà ainsi ce que vous devez savoir. Ainsi, vous serez en mesure de mieux juger de votre niveau de maîtrise des concepts. Le corrigé de ces questions est inclus. De plus, quelques commentaires pédagogiques sont indiqués à la fin de cette partie.

Activités d’enseignement et d’apprentissage : Cette partie est le cœur du module.

Vous devez suivre le parcours d’apprentissage de cette partie. Des activités variées sont incluses. Faites chacune des activités au complet. Parfois, il est possible que vous ne suiviez pas exactement l’ordre dans lequel les activités sont présentées. Il est très important de noter que :

- les évaluations formatives et sommatives sont effectuées tout au long du module

- toutes les lectures et les ressources obligatoires sont utilisées - le plus de liens utiles possibles doit être visité

- des rétroactions seront faites

- les communications sont données à l’auteur

Concepts clés (glossaire) : Cette partie contient des définitions courtes et concises des termes utilisés dans ce module. Elle vous aidera à comprendre les mots que vous connaissez moins bien et qui seront utilisés dans ce module.

Lectures obligatoires : Un minimum de trois textes à lire sont fournis. Il est obligatoire de faire la lecture de ces documents.

Liste de ressources multimédia optionnelles : La liste complète des ressources multi- média libres de droits d’auteurs est citée dans les activités d’apprentissage ou requis pour compléter ces activités est présentée dans cette partie.

Liste de liens utiles : Une liste comportant au moins 10 sites Internet pertinents est présentée. Ces sites vous aideront à comprendre les sujets traités dans ce module. Pour chacun des liens, la référence complète (titre du site, adresse URL) est accompagnée d’une capture d’écran et d’une description d’environ 50 mots.

Synthèse du module : Un résumé du module est présenté.

Évaluation sommative.

Bon travail tout au long de ce module!

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i. Physique Nucléaire

Par Tilahun Tesfaye Addis Ababa, Université d’Éthiopie

ii. Prérequis / Connaissances préalables nécessaires

Pour pouvoir étudier ce module, vous devez avoir compris le module de formation des enseignants en mécanique quantique. Ce dernier est réalisé par l’Université Virtuelle Africaine.

iii. Volume horaire / temps

Le temps d’apprentissage de ce module est estimé à 120 heures.

iV. matériel didactique

La liste suivante décrit l’équipement nécessaire pour réaliser toutes les activités de ce module. Les quantités indiquées sont requises pour chacun des groupes.

1. Ordinateur : Un ordinateur personnel équipé d’un logiciel de traitement de texte ainsi que d’un tableur électronique.

2. PCNudat (logiciel gratuit) : Base de données nucléaires

V. Justification / importance du module

Nous devons étudier la physique nucléaire puisque la connaissance de la physique nucléaire est essentielle à la compréhension de nos vies et du monde physique autour de nous. Nous sommes tous faits de poussières d’étoiles. Les processus comme la création des éléments chimiques ainsi que la production d’énergie dans les étoiles et sur la Terre sont incluses dans les études nucléaires.

La construction de la matière à partir de quark et de leptons, de neutrons, de protons, de deutérons; les noyaux et la désintégration de la matière; l’émission de particules alpha, bêta et gamma; la fission nucléaire, tous sont des phénomènes nucléaires.

Plusieurs processus nucléaires sont utilisés autour de nous; il y a des applications importantes de ces processus dans nos vies :

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L’utilisation de la radioactivité en médecine, dans l’industrie et pour la recherche

* La résonance magnétique nucléaire (cancer)

* La sécurité (par exemple, détection de mines)

* Études fondamentales comme celles sur les propriétés des neutrinos (double désintégration bêta)

Les applications médicales

* Traitement du cancer en utilisant les radiations

* Anciennement, utilisation pour tuer des cellules, par exemple : le radium

* Utilisation moderne des faisceaux d’ions, par exemple : GSI Imagerie médicale

* IRM (Imagerie par résonance magnétique nucléaire)

* Tomographie par émission de positrons

* Imagerie par rayons X, etc.

L’environnement

* Datation au radiocarbone, ratio ¹²C

/

¹⁴^C

* Datation par l’argon gazeux

* Datation des roches par le Rb-Sr La biologie

* L’archéologie (datation par rapports isotopiques)

* Utilisation de la radioactivité pour repérer des fluides dans les organes

* Aspect médico-légal Sécurité et industrie

* Diagraphie des puits de pétrole

* Détection de matériel explosif, etc.

Des quantités importantes d’énergie sont emprisonnées par la nature dans les noyaux des atomes. L’étude des noyaux atomiques constitue donc la base qui permet de profiter de cette énergie et d’utiliser les radiations émises par les noyaux atomiques.

Les concepts étudiés dans le module de physique atomique s’appliqueront au noyau de l’atome dans ce module-ci.

Le module de physique nucléaire vise à : - étudier les propriétés générales des noyaux - examiner les caractéristiques de la force nucléaire - aborder les principaux modèles de noyaux

- discuter de la désintégration spontanée des noyaux en incluant ceux qui sont éloignés de la vallée de stabilité

- étudier les réactions nucléaires, en particulier la fission et la fusion

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- aborder les détecteurs

- discuter des applications pratiques de la physique nucléaire

- mettre en place des habiletés de résolution de problème dans les domaines mentionnés ci-dessus.

De plus, les concepts de niveau d’énergie et de spectre d’émission, qui font partie de la physique atomique, sont aussi utilisés pour expliquer quelques phénomènes obser- vables dans le noyau atomique. Étant donné que la majorité de l’information connue à propos du noyau atomique est obtenue à partir du spectre d’émission du noyau ainsi qu’à partir de l’interaction entre le rayonnement et la matière, il est essentiel d’étudier le noyau atomique en commençant par l’étude de ses propriétés.

Vi. Contenu

6.1 Aperçu du module

Au cours de la première activité de ce module de physique nucléaire, nous aborde- rons les propriétés fondamentales du noyau atomique et les constituants de celui-ci, l’énergie de liaison, les isotopes ainsi que les modèles nucléaires.

La plupart des atomes que nous trouvons dans la nature sont stables et n’émettent pas de particules ou d’énergie qui se transforment en fonction du temps. Les élé- ments lourds, comme l’uranium et le thorium, ainsi que les éléments de leur chaîne de désintégration n’ont pas de noyaux stables : ils émettent donc du rayonnement à leur état naturel. La deuxième activité de ce module s’attarde sur la radioactivité et sur les applications de cette dernière.

La troisième activité porte sur l’interaction entre les rayonnements nucléaires et la matière. L’étude de cette interaction est la base de la détection et des mesures du rayonnement. La plupart des applications du rayonnement requièrent la connaissance des interactions entre le rayonnement et la matière.

Il faut connaître les particules élémentaires et leurs interactions afin de mieux comprendre les forces nucléaires et d’être en mesure de mieux les prédire. La quatrième activité fait un aperçu des particules élémentaires ainsi que des théories qui expliquent les interactions nucléaires entre ces particules.

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6.2 Contour / grandes lignes

1. Propriétés fondamentales du noyau atomique (30 heures)

- Les propriétés fondamentales du noyau atomique ; les constituants nucléaires ; les isotopes

- L’énergie de liaison - La stabilité nucléaire

- La masse et la teneur isotopique - Les modèles nucléaires

2. Radioactivité (35 heures)

- La radioactivité, la découverte, les rayonnements alpha, bêta et gamma; les lois de la désintégration radioactive

- La radioactivité naturelle (avec chaîne de désintégration et sans chaîne de désintégration), l’équilibre radioactif

- Les applications de la radioactivité

3. Interactions entre le rayonnement et la matière (35 heures)

- Interaction entre les particules lourdes chargées ou les particules légères chargées et la matière

- Interaction entre les photons et la matière

- Section efficace des interactions et coefficients d’interaction - Détecteurs de rayonnement nucléaire

4. Forces nucléaires et particules élémentaires (20 heures) - Interaction fondamentale dans la nature

- Relevé des particules élémentaires

- Théorie des forces nucléaires selon Yukawa

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6.3. Représentation graphique

NUCLEAR P hysics

A . B asi c P r o pe rt ies o f the At om i c N uc leus

B . R adi o ac tiv ity C. I n te ra ct io n of R adia tio n

W it h M att er

D . N u c lear Fo rc es a n d Elem en ta ry P ar tic les

Basi c proper ti es of th e atom i c nu cl eu s.

Nuc lear const itu ents. I sot opes,

Nuc lear bin ding energ y, Nuc lear stabili ty ,

Mass an d iso topi c abun dance, Nu clear m odels

R ad ioact iv it y. I t s d isc over y, alp ha, beta and gamm a radi at ion, Law s of radi oac ti ve d isi ntegr ation .

Natur al radi oacti vi ty (seri es and n on s er ies) radi oacti ve equili b riu m,

App li cati ons of radi oacti v ity . I nter ac ti on of h eavy and li ght

c harged part icl es w ith m atter .

I nter acti on of phot ons w ith m atter . I nt eract ion cr oss- secti ons an d i nter ac ti on coeff ici ents.

Nuc lear radi ation detect ors.

Fundam ental int eract ions in n atur e.

Y uk aw a’s th eor y of nuc lear forc e.

Sur vey of elem entar y parti cl es.

NUCLEAR P hysics

Vii. Objectifs généraux

Au terme de l’apprentissage de ce module vous devez être en mesure de : - Comprendre les propriétés fondamentales des noyaux atomiques

- Décrire la radioactivité et les phénomènes qui y sont reliés

- Expliquer les diverses interactions entre le rayonnement nucléaire et la ma- tière

- Comprendre les interactions nucléaires et connaître les particules élémentaires qui sont impliquées dans ces interactions

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Université Virtuelle Africaine 0

Viii. Objectifs spécifiques liés aux activités d’apprentissage

Contenu Objectifs d’apprentissage (Au terme de l’ap- prentissage de cette section vous devez être en mesure de) :

1. Propriétés fondamentales du noyau atomique (30 heures) - Les propriétés fondamentales du noyau

atomique; les constituants nucléaires;

les isotopes - L’énergie de liaison - La stabilité nucléaire

- La masse et la teneur isotopique - Les modèles nucléaires

- Identifier les constituants du noyau atomique et rappeler les propriétés collectives de ces constituants

- Calculer les défauts de masse

- Faire le lien entre le rapport neutron-proton et la stabilité - Décrire les deux modèles des noyaux suivants : le modèle

en couches et le modèle de la goutte liquide

2. Radioactivité (35 heures) - La radioactivité, la découverte, les

rayonnements alpha, bêta et gamma;

les lois de la désintégration radioactive - La radioactivité naturelle (avec chaîne

de désintégration et sans chaîne de désintégration), l’équilibre radioactif - Les applications de la radioactivité

- Décrire les rayonnements provenant du noyau - Identifier et décider le type d’équilibre pour une série

radioactive donnée

- Appliquer la loi de la radioactivité (période radioactive) à la datation au radiocarbone

3. Interactions entre le rayonnement et la matière (35 heures)

- Interaction entre les particules lourdes chargées et la matière; interaction entre les particules légères chargées et la matière

- Interaction entre les photons et la matière

- Section efficace des interactions et coefficients d’interaction

- Détecteurs de rayonnement nucléaire

- Décrire l’interaction entre les particules légères chargées et la matière; décrire l’interaction entre les particules lourdes chargées et la matière

- Identifier et décrire les quatre interactions majeures entre les photons et la matière

- Utiliser les sections efficaces et les coefficients d’interaction pour résoudre des problèmes

- Décrire les détecteurs à gaz, les détecteurs à semi- conducteur et les détecteurs à scintillation (construction, principe et utilisation)

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4. Forces nucléaires et particules élémentaires (20 heures) - Interaction fondamentale dans la

nature

- Relevé des particules élémentaires - Théorie des forces nucléaires selon

Yukawa

- Identifier les interactions fondamentales dans la nature - Identifier les particules élémentaires et décrire leur rôle

dans le processus d’interaction

- Expliquer la théorie des forces nucléaires selon Yukawa

iX. Évaluation préliminaire/Pré-évaluation

Êtes-vous prêts pour la physique nucléaire ? Cher apprenant,

Dans cette section, vous trouverez des questions d’auto-évaluation qui vous aideront à estimer votre degré de préparation pour l’étude de ce module. Vous devriez vous juger sincèrement et appliquer les suggestions recommandées à la fin de l’auto-éva- luation. Nous vous encourageons à prendre votre temps et à répondre à toutes les questions.

Cher chargé d’enseignement,

Les questions de pré-évaluation qui se trouvent dans ce questionnaire aident les apprenants à déterminer s’ils sont suffisamment préparés pour étudier le contenu présenté dans ce module. Il est fortement suggérer de respecter les recommandations faites selon le résultat obtenu par l’étudiant. En tant que chargé d’enseignement, vous devriez encourager vos étudiants à s’auto-évaluer en répondant aux questions ci-dessous. Les recherches en éducation montrent que les auto-évaluations vont aider les étudiants à être mieux préparés et aussi qu’elles vont les guider dans l’organisation de leurs connaissances antérieures.

9.1 Auto-évaluation en lien avec la physique nucléaire

Évaluez votre degré de préparation pour l’étude de ce module en physique nucléaire.

Si votre résultat est égal ou supérieur à 40 sur 50, vous êtes prêts à commencer l’étude de ce module. Si votre résultat est entre 27 et 40, vous aurez peut-être besoin de réviser votre physique nucléaire. Un résultat inférieur à 27 sur 50 indique que vous devez absolument réviser vos notions de physique.

Tentez de répondre aux questions suivantes et évaluez si vous avez le bagage de connaissances nécessaire pour étudier les sujets reliés à la physique nucléaire.

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1. Quel énoncé décrit le mieux la structure d’un atome ?

(a) Un noyau positif entouré par des électrons compactés fermement autour de ce noyau.

(b) Une particule composée d’un mélange de protons, d’électrons et de neutrons.

(c) Un petit noyau, composé de protons et de neutrons, autour duquel des électrons décrivent une orbite.

(d) Un gros noyau de protons et d’électrons qui est entouré de neutrons.

2. Lorsqu’un atome émet une particule alpha, son nombre de masse est...

(a) diminué de 4 et son numéro atomique est augmenté de 2 (b) augmenté de 2 et son numéro atomique est diminué de 2 (c) augmenté de 4 et son numéro atomique est augmenté de 2 (d) diminué de 4 et son numéro atomique est diminué de 2

3. Un électron se déplace à une vitesse égale aux 4/5 de la vitesse de la lumière.

Quel choix parmi les suivants représente la proportion entre la masse de l’électron par rapport à sa masse au repos ?

(a) 5/4 (b) 5/3 (c) 25/9 (d) 25/16

4. Qu’est-ce qui peut passer à travers une plaque d’acier dont l’épaisseur est de 20 cm ?

(a) les rayons positifs (b)

α

-rays

(c)

β

-rays (d)

g

-rays

5. La période d’un nucléide radioactif est de 3 heures, alors son activité sera réduite selon un facteur de...

(a)

1

8

^(c)

1 27

(b)

1

6

^(d)

1

9

(14)

6. Quelle désintégration radioactive parmi les suivantes émet des particules

�

^? (a) ₈₂

pb

. Au cours de cette désintégration, les particules émises sont...

(a) deux particules

β

et un proton (b) deux particules

β

et un neutron (c) une particule

α

et une particule

β

(d) un proton et deux neutrons

10. La relation entre la période T_{1/ 2}d’un échantillon radioactif et sa vie moyenne

τ

est de...

(a)

τ = 2.718T

_{1/ 2} (b)

τ = T

^{1/ 2} (c)

τ = 0.693 T

_{1/ 2} (d)

T

^{1/ 2}

= 0.693τ

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11. La constante de désintégration

λ

d’un échantillon radioactif...

(a) est indépendante de l’âge de l’échantillon.

(b) dépend de la nature de l’activité.

(c) augmente au fur et à mesure que l’âge de l’atome augmente.

(d) diminue au fur et à mesure que l’âge de l’atome augmente.

12. Parmi les trois isotopes d’hydrogène ₁¹H ²₁H ₁³H . (a) deux d’entre eux sont stables

(b) ils sont tous stables

(c) ₁³H se désintègre en ₁²H (d) ₁³H se désintègre en ₂³He

13. Une certaine substance radioactive a une période radioactive de 5 ans. Par conséquent, pour un noyau dans un échantillon de l’élément, les probabilités de désintégration en 10 ans sont de...

(a) 100 % (b) 75 % (c) 60 % (d) 50 %

14. Un photon gamma crée une paire électron-positron. Si la masse au repos de l’électron est de 0,5 MeV et que l’énergie cinétique totale de la paire électron- positron est de 0,78 MeV, l’énergie du photon gamma doit être de...

(a) 0,28 MeV (b) 1,28 MeV (c) 1,78 MeV (d) 0,78 MeV

15. Si la masse d’un proton est entièrement convertie en énergie, cela donnera environ...

(a) 3,1 MeV (b) 931 MeV (c) 10 078 MeV (d) 9 310 MeV

(16)

16. Si un méson

π

⁰ au repos se désintègre en deux rayons gamma

π

α

sont émises, alors le noyau résiduel est...

(a) ₀¹n (b) ₁²D (c) ₁³H (d) ₁₃⁷Li

20. Que remplace X dans l’équation suivante :₁₃⁷Li + ₁¹H _{→ He}₂⁴ + X (a) ₁³H

(b) ₀¹D (c) ₁²D (d) ₂⁴He

(17)

21. Si les rayons

�

,

�

et

�

ont des pouvoirs ionisants, I

α

^,I β et Ig ont respecti- vement la relation suivante...

(a) I_α,> I_β >I_g (b) I_α,<I_β <I_g (c) I_α = I_β =I_g

(d) Aucune de ces réponses

22. Quel énoncé parmi les suivants est correct ?

(a) La radioactivité

β

est le processus par lequel un atome instable, dont le numéro atomique Z demeure inchangé, émet un électron.

(b) La radioactivité

g

est le processus par lequel un noyau fils a un numéro atomique qui est supérieur d’une unité au numéro atomique du noyau père.

(c) La radioactivité

α

est le processus par lequel un atome instable émet le noyau d’un atome d’hélium.

(d) La radioactivité

α g

est le processus par lequel un atome lourd émet des rayonnements électromagnétiques à très hautes fréquences.

23. À t=0s, le taux de comptage provenant d’une source radioactive était de 1600 coups par seconde. À t=8s, il était de 100 coups par seconde. Alors, le taux de comptage observé à t=6s devrait être...

(a) 400 (b) 300 (c) 200 (d) 150

24. Considérons une matière radioactive qui a une période radioactive de 1,0 minute. Si l’un des noyaux se désintègre maintenant, alors le prochain noyau se désintégrera...

(a) après une minute (b) après 1/

log

_e2 minutes

(c) après 1.N minute, où N est le nombre de noyaux présents à ce moment (d) après n’importe quel temps

25. Quelle est l’énergie de liaison de ¹²₆C ? (Masse donnée d’un proton = 1,00078 uma ; masse d’un neutron = 1,0087 uma = 931 MeV

(a) 9,2 MeV (b) 92 MeV (c) 920 MeV (d) 0,92 MeV

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26. L’énergie de liaison d’un noyau se divise en deux noyaux de grandeur égale.

Combien d’énergie sera approximativement dégagée au cours du processus?

(a) 238 MeV (b) 23,8 MeV (c) 2,38 MeV (d) 119 MeV

27. L’élément le plus apte à la fission nucléaire est un élément qui possède un numéro atomique d’environ...

(a) 92 (b) 52 (c) 21 (d) 11

28. Pour que la réaction nucléaire ₁¹H + ₁¹H + ₁²H = ₁⁴He + ⁰₁e + énergie qui se produit

(a) il faut une température très haute et une pression basse.

(b) il faut une température très haute et une pression relativement haute.

(c) il faut une température modérée et une pression très haute.

(d) il faut seulement une température très haute.

₄. Si le nombre de masse et le numéro atomique de A sont respectivement de 180 et de 72, quels sont, respectivement, le nombre de masse et le numéro atomique de

A

₄?

(a) 172; 69.

(b) 170; 69.

(c) 174; 71.

(d) 180; 70.

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31. La matière utilisée pour absorber le surplus de neutrons dans un réacteur nucléaire est...

(a) le zinc.

(b) l’uranium.

(c) le radium.

(d) le cadmium.

32. Les neutrons thermiques possèdent une énergie d’environ...

(a) 100 eV (b) 10 eV (c) 1 eV

(d) ₉₂

U

²³⁸

→

₈₂

pb

²⁰⁶

33. En moyenne, combien de neutrons sont libérés par la fission nucléaire ? (a) 2

(b) 1 (c) 3 (d) 2,5

34. Les modérateurs sont utilisés dans les réacteurs nucléaires pour...

(a) faire accélérer les neutrons.

(b) faire ralentir les neutrons.

(c) produire des neutrons.

35. Les barres de cadmium sont utilisées dans les réacteurs nucléaires pour...

(a) générer des neutrons.

(b) absorber des neutrons.

(c) ralentir les neutrons.

(d) produire des neutrons.

36. Combien de désintégrations radioactives par seconde sont définies comme étant un becquerel ?

(a)

10

⁶ (b) 3.7 10× ¹⁰ (c) 1

(d) Aucune de ces réponses.

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37. Dans le réacteur nucléaire de Trombay, quelle substance parmi les suivantes est utilisée comme modérateur ?

(a) de l’eau ordinaire.

(b) du cadmium.

(c) du cuivre.

(d) de l’eau lourde.

38. Quelle particule parmi les suivantes est utilisée pour provoquer la fission dans un réacteur atomique ?

(a) le proton (b) la particule

α

(c) la particule β (d) le neutron

39. Parmi les choix suivants, quel est le meilleur combustible nucléaire ? (a) le neptunium 293

(b) le plutonium 239 (c) l’uranium 236 (d) le thorium 236

40. Dans un réacteur, le modérateur, ...

(a) absorbe l’énergie thermique.

(b) fait ralentir les neutrons.

(c) fait accélérer les neutrons.

(d) absorbe les neutrons.

41. Pour un réacteur atomique qui est critique, le rapport du nombre moyen de neutron produits et utilisés dans la réaction en chaîne...

(a) dépend de la masse de la matière fissile.

(b) est plus grand que 1.

(c) est égal à 1.

(d) est plus petit que 1.

42. Un élément A se désintègre en élément C par un processus en deux étapes : A → + HeB 2⁴ , B → C +2e⁻

Par conséquent,

(a) A et C sont des isobares.

(b) A et B sont des isotopes.

(c) A et C sont des isotopes.

(d) A et B sont des isobares.

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43. Sur un échantillon ayant une période radioactive de 1 mois, il y a l’étiquette suivante : «1 Activité = 2 microcuries le 01/08/1991. Deux mois après cette date, quelle était l’activité de cet échantillon en microcuries ?

(a) 1,0 (b) 0,5 (c) 4 (d) 8

44. Les isotopes sont des atomes qui ont...

(a) le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons.

(b) le même nombre de protons, mais un nombre différent de protons.

(c) le même nombre de protons et de neutrons.

(d) aucune de ces réponses.

45. Quelle réaction nucléaire parmi les suivantes est une source d’énergie dans le soleil ?

a) ₄⁹

Be

+₂⁴He → C¹²6 + ⁻₀¹

n

b) ²³⁸₉₂U → ²⁰⁶₈₂

Pb

c) ¹⁴⁴₅₆Ba +₅₆⁹²Kr → U²³⁵92 + ₀¹n d) ₂₆⁵⁶Fe +¹¹²₄₈Ca →¹⁶⁷₇₄W + ₀¹n

46. Les éléments transuraniens sont ceux dont le numéro atomique est...

(a) toujours supérieur à 92.

(b) inférieur à 92.

(c) toujours supérieur à 103.

(d) aucune de ces réponses.

47. Les radio-isotopes sont utilisés comme indicateurs puisque...

(a) leurs propriétés chimiques sont différentes.

(b) ils peuvent être détectés précisément en petites quantités.

(c) ils ne peuvent être distingués des atomes normaux facilement.

48. L’élément qu’on ne retrouve pas dans la nature est...

(a) ²³³₉₂U (b) ²³⁵₉₂U (c) ²³⁸₉₂U (d) ²³²₉₀Th

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49. Quel énoncé parmi les suivants est vrai en ce qui concerne la radioactivité ? (a) Tous les éléments se désintègrent de façon exponentielle avec le temps.

(b) La période radioactive d’un élément est le temps requis pour que la moitié de ses atomes radioactifs se désintègrent.

(c) L’âge de la Terre peut être déterminée grâce à la datation radioactive.

(d) La période radioactive d’un élément représente 50 % de sa période de vie moyenne.

50. L’eau lourde est utilisée comme modérateur dans un réacteur nucléaire. La fonction d’un modérateur est de...

(a) contrôler l’énergie libérée dans un réacteur.

(b) absorber les neutrons et arrêter la réaction en chaîne.

(c) refroidir le réacteur.

(d) ralentir les neutrons jusqu’à leurs énergies thermiques.

9.2 Réponses clés 1. C

2. D 3. B 4. D 5. A 6. C 7. D 8. B 9. C 10. D 11. A 12. D 13. B 14. C 15. B 16. A 17. D 18. B

19. D 20. D 21. A 22. C 23. C 24. D 25. B 26. A 27. A 28. A 29. B 30. A 31. D 32. A 33. D 34. B 35. B 36. C

37. D 38. D 39. B 40. C 41. C 42. B 43. A 44. A 45. B 46. A 47. B 48. A 49. C 50. D

(23)

9.3 Commentaires pédagogiques destinés aux apprenants

La physique nucléaire peut être perçue, historiquement, comme étant la fille de la physique atomique et de la chimie. Par ricochet, la physique nucléaire peut aussi être vue comme étant la mère de la physique des particules et de la physique médicale.

Lorsque les gens entendent le mot « nucléaire », la plupart d’entre eux associent ce mot aux bombes et aux réacteurs nucléaires. Ces deux réalités ne sont pas vraiment populaires ces jours-ci. En raison des bombes et des réacteurs nucléaires, la physique nucléaire a probablement été la branche de la science qui a eu le plus grand impact sur la politique du 20^e siècle. Pensons simplement à la guerre froide. Le Projet Manhattan était probablement le projet scientifique le plus prestigieux du 20^e siècle : de nombreux participants qui y ont travaillé étaient de futurs récipiendaires de Prix Nobel. L’importance culturelle de ce projet est comparable à celle de l’électronique de nos jours ainsi qu’à celle de l’atterrissage sur la lune -une autre poussée technologique qui dérive de la Seconde Guerre mondiale.

Dans ce module, les concepts de base de la physique nucléaire sont traités, en mettant l’accent plus particulièrement sur la structure nucléaire ainsi que sur les interactions du rayonnement avec la matière. Nous verrons aussi : les forces nucléaires; la structure en couches du noyau; les désintégrations radioactives alpha, bêta et gamma; les interactions entre les rayonnements nucléaires (particules chargées, gammas et neutrons) et la matière; les réactions nucléaires ; la fission et la fusion.

Ce module est divisé en cinq activités. Chaque activité contient des exemples et des lectures obligatoires. Vous devez résoudre toutes les activités d’apprentissage et utiliser tout le matériel pour vos lectures. Ce matériel est composé d’une série de notes de cours ainsi que d’un guide d’étude avec des exercices. Les notes de cours ont été préparées par l’auteur de ce module entre 2004 et 2007 à l’Université de Addis Ababa, en Éthiopie.

Les recherches actuelles montrent que les étudiants qui réussissent le mieux en physique (ainsi que dans les autres matières) sont ceux qui s’engagent activement dans le processus d’apprentissage. Cet engagement peut prendre plusieurs formes : écrire plusieurs questions dans les marges de ce module, poser des questions par courriel, discuter de physique sur les forums de discussion de l’Université Virtuelle Africaine, etc. Vous êtes fortement invités à profiter de toutes les possibilités offertes par l’UVA.

Enfin, la physique en général est une façon de percevoir le monde et non une simple collection de faits. L’auteur de ce module espère que votre premier cours en physique nucléaire vous permettra de mieux apprécier la nature et qu’il contribuera à améliorer vos habiletés de pensée critique, de résolution de problème et de communication pré- cise. Ce cours vous permettra de gagner beaucoup d’expérience en ce qui a trait aux explications qualitatives, aux estimations numériques et à la résolution de problèmes quantitatifs précis. Dès que vous envisagez un phénomène en considérant tous ces niveaux d’analyse et que vous pouvez décrire clairement le phénomène à d’autres personnes, vous «pensez comme un physicien» (comme nous disons souvent). Même si vous oubliez éventuellement tous les faits que vous avez appris dans ce cours, les habiletés que vous avez développées, elles, vous serviront pour tout le reste de votre vie.

(24)

X. activités d’enseignement et d’apprentissage

Activité 1 : Propriétés fondamentales du noyau atomique

Il vous faudra 30 heures pour réaliser la présente activité. Au cours de cette activité, une série de lectures, de clips multimédia et d’exemples vous guidera dans vos ap- prentissages. Vous pourrez vous autoévaluer grâce à des questions et des problèmes écrits. Nous vous recommandons fortement de faire toutes les activités et de consulter tout le matériel obligatoire. Vous êtes aussi grandement invités à visiter le plus de liens utiles et de références possibles.

Objectifs spécifiques d’enseignement et d’apprentissage lies à cette activité

- Identifier les constituants du noyau atomique et rappeler les propriétés collectives de ces constituants

- Calculer le défaut de masse

- Faire le lien entre le rapport neutron-proton et la stabilité

- Décrire les deux modèles des noyaux suivants : le modèle en couches et le modèle de la goutte liquide

Résumé de l’activité d’apprentissage

Selon nos modèles actuels, le noyau atomique est composé de protons et de neutrons : ces constituants sont appelés nucléons. Le nombre de protons et de neutrons dans le noyau représente le nombre de masse (A) tandis que le nombre de protons repré- sente le numéro atomique (Z). Le noyau de l’élément dont le symbole chimique est X s’écrit sous cette forme spécifique : ^A_Z

X

.

Le noyau atomique possède plusieurs propriétés intéressantes :

- Grosseur du noyau : En général, les noyaux atomiques ont une forme sphéri- que. Le rayon est donné approximativement par :

A

AB

R

R =

₀ où R₀ = 1.2

±

0.2 fm

- Charge : La distribution de la charge électrique à l’intérieur du noyau est la même que la distribution de la masse nucléaire à l’intérieur de celui-ci. Les résultats des expériences suggèrent que le « rayon électrique du noyau» et que le « rayon de la matière nucléaire » sont presque de la même grandeur.

- Spin nucléaire : Pour chaque nucléon, le moment cinétique orbital

l

et le spin

«

s

» se combinent en un moment cinétique total «

j

». Le moment cinétique

(25)

total d’un noyau

I

est, par conséquent, la somme vectorielle des moments cinétiques des nucléons :

A

i i=1

j=l+s I= ∑ j odd-A: half-integer I, even-A: integer I

- Moment cinétique : Le moment cinétique (ou moment angulaire)

I

a toutes les propriétés habituelles des vecteurs de moments cinétiques en mécanique quantique.

2 2

( 1)

= - , - 1, ,

z

I I I

I m m I I L I

= +

h h

Le moment cinétique total Iest habituellement appelé spin nucléaire. Le nombre quantique de spin qui y correspond I est utilisé pour décrire les états du noyau.

La stabilité nucléaire est en relation avec le nombre de nucléons qui constituent le noyau. Les noyaux stables se produisent seulement dans une petite ligne de stabilité sur le plan Z-N. Tous les autres noyaux sont instables et se désintègrent spontanément de diverses façons.

Il y a trois modèles du noyau atomique : le modèle de la goutte liquide, le modèle du gaz de Fermi et le modèle en couches. Chaque modèle explique certaines observations des propriétés nucléaires. Aucun modèle ne peut expliquer toutes les observations.

Liste des lectures obligatoires

Des lectures libres de droits d’auteurs devraient aussi être données en format élec- tronique (à ajouter sur un CD d’accompagnement pour le module).

Lecture 1 : Chapitre 1

Référence complète : PHYSICS 481 Lecture Notes and Study Guide From Depart- ment of Physics Addis Ababa University, by Tilahun Tesfaye(PhD) .

Résumé : Cette lecture est organisée selon les sections suivantes : premières hypothè- ses atomiques, propriétés du noyau, théories de la composition du noyau atomique, énergie de liaison, force nucléaire et modèles de la structure nucléaire. Chaque section se termine par une série de questions et de problèmes.

Justification : Ce chapitre concorde bien avec ce qui sera vu dans la première activité de ce module.

(26)

Liste de ressources multimédia pertinentes pour l’activité d’apprentissage Logiciels, exercices interactifs en ligne, vidéos, animations, etc.

Ressource # 1

Titre : The Rutherford Experiment

URL : http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/

Date de consultation : Août 2007

Description : Cette expérience classique de diffraction a été réalisée en 1911 par Hans Geiger et Ernest Marsden selon la suggestion faite par Ernest Rutherford. Les détails à propos de l’expérience ainsi que les informations expliquant comment faire fonctionner le tutoriel sont fournies en dessous de la fenêtre d’applet.

Liste de liens utiles (pour l’activité d’apprentissage)

Liste de liens qui fournissent un point de vue complémentaire sur le matériel du curriculum. Chaque description est accompagnée d’une capture d’écran.

Lien utile #1 : ABC’s of Nuclear Science Titre : Nuclear Structure

URL : http://www.lbl.gov/abc/Basic.html Capture d’écran :

Description : Voici les sujets discutés sur ce site : la structure nucléaire, la radioac- tivité, la désintégration alpha, la désintégration bêta, la désintégration gamma, la période radioactive, les réactions, la fusion, la fission, le rayonnement cosmique,

(27)

l’antimatière. De plus, il y a des liens vers des sources qui fournissent des lectures complémentaires.

Justification : Ce site traite de la plupart des sujets de physique nucléaire couverts dans ce module. L’apprenant peut consulter les liens vers d’autres lectures.

Date de consultation : Janvier 2008

(28)

Description détaillée de l’activité (Principaux éléments théoriques)

Introduction

Dans le module de physique atomique, vous avez découvert les expériences qui ont permis de formuler la théorie grâce à laquelle l’atome nucléaire a été accepté.

Dans ce module, nous allons nous attarder à la structure du noyau atomique et nous allons examiner quelques rayonnements nucléaires ainsi que leurs interactions avec la matière.

Toute matière est composée d’atomes. L’atome est la plus petite quantité de matière qui conserve les propriétés chimiques d’un élément. En 1803, le chimiste anglais John Dalton a affirmé que chaque élément chimique possède un type particulier d’atome et que chaque quantité d’un élément est faite d’atomes identiques de cette sorte. Ce qui distingue les éléments entre eux est la sorte d’atomes dont ils sont constitués, et la différence physique fondamentale entre les sortes d’atomes est leur poids.

Pendant les quelque 100 années après que Dalton ait établi la nature atomique des atomes, tous les résultats des expériences chimiques indiquaient que l’atome était indivisible. Éventuellement, les expériences sur l’électricité et la radioactivité ont indiqué que des particules de matière plus petites que l’atome existaient vraiment, mais que ces petites particules n’avaient plus les mêmes propriétés que l’élément au complet.

En 1906, J. J. Thompson a gagné le Prix Nobel de physique étant donné qu’il a prouvé l’existence des électrons. Peu de temps après la découverte des électrons, les protons ont aussi été découverts. Les protons sont des particules relativement larges qui possèdent une charge positive égale en intensité (mais de signe opposé) à celle de l’électron. La troisième particule subatomique, le neutron, est demeurée inconnue jusqu’en 1932. Le neutron possède une masse presque identique au proton. Par contre, le neutron est électriquement neutre.

1.1 Propriétés fondamentales du noyau atomique Charge et masse du noyau

Les caractéristiques les plus importantes d’un noyau sont sa charge Z et sa masse M.

La charge d’un noyau atomique est déterminée par le nombre de charges positives qu’il contient. La charge élémentaire

e = 1.6021× 10

⁻¹⁹

C

du noyau atomique est portée par le proton. Étant donné que l’atome, dans son ensemble, est électriquement neutre, la charge nucléaire détermine, en même temps, le nombre d’électrons qui se trouvent autour du noyau. Bref, les éléments chimiques sont identifiés par leur charge nucléaire ou par leur numéro atomique.

(29)

La masse d’un noyau atomique est presque la même que celle de l’atome en entier parce que la masse des électrons dans un atome est négligeable. En effet, la masse d’un électron est de 1/1836 fois celle d’un proton. Il est habituel de mesurer la masse d’un atome en unités de masse atomique, qui sont abrégées u.m.a. L’unité de masse atomique est égale à un douzième de la masse d’un atome ¹²₆

C

neutre.

1u 1.6603 10 kg = ×

⁻27

Spin et moment magnétique du noyau

Dans le module de physique atomique, nous avons vu que le spin d’un électron ré- sulte en une structure fine du spectre atomique. Pour les atomes qui ont un électron de valence, l’orientation relative du moment cinétique orbital et du moment de spin de l’électron provoque une division de tous les niveaux d’énergie (sauf le niveau s), ce qui entraîne une division des raies spectrales. Grâce aux améliorations apportées aux instruments spectroscopiques, les chercheurs ont pu étudier ces raies. Les chercheurs ont découvert que chacune des raies D du sodium était à son tour un doublet qui consistait en deux raies spectrales très rapprochées.

Figure. Raies D du Na.

Pauli a suggéré que les structures hyperfines étaient peut-être causées par la présence d’un moment cinétique dans le noyau atomique. Le moment cinétique total, ou spin nucléaire, ainsi que la charge nucléaire et la masse nucléaire sont les caractéristiques les plus importantes du noyau.

Le noyau est constitué de protons et de neutrons qui ont chacun un spin de

h 2

. Le spin nucléaire est la somme vectorielle du moment cinétique du spin de toutes les particules composantes. Un noyau contient un nombre pair de nucléons qui ont un spin entier (en unités de

h

) ou un spin zéro. En plus du spin nucléaire, le noyau a un moment magnétique. Par conséquent, toutes les particules atomiques (le noyau et les électrons) ont un moment magnétique.

(30)

Le moment magnétique d’un noyau est déterminé par ces dernières particules composantes. Par analogie avec le magnéton de Bohr, les moments magnétiques d’un noyau sont exprimés en termes de ce qu’on appelle le magnéton nucléaire, défini comme étant :μN=eh/2m_p^{où N}μ représente le rapport gyromagnétique nucléaire.

Constituants nucléaires

Lorsqu’il a été présenté, le modèle nucléaire de l’atome a entraîné plus de questions que de réponses. Quelle est la composition du noyau? Comment un noyau atomique peut-il devenir stable? Les réponses à ces questions pouvaient seulement être obtenues après la découverte des diverses propriétés du noyau, notamment la charge nucléaire Z, la masse nucléaire et le spin nucléaire.

Il a été découvert que la charge nucléaire pouvait être définie comme étant la somme des charges positives que le noyau contenant. Étant donné qu’une charge positive élémentaire est associée au proton, la présence de protons dans le noyau apparaissait, hors de tout doute, comme étant le commencement. Deux autres faits ont été établis, notamment :

a) Les masses des isotopes (sauf pour l’hydrogène ordinaire), exprimée en unités de masse de protons, était numériquement plus grande que les charges nucléai- res exprimées en unités de charge élémentaire, et cette différence s’accentuait lorsque Z augmentait. Pour les éléments situés au milieu du tableau périodique, les masses isotopiques (en u. m. a.) sont environ deux fois plus grandes que les charges nucléaires. Le ratio est encore plus grand pour les noyaux plus lourds.

Par conséquent, il était logique de penser que les protons n’étaient pas les seules particules qui constituaient le noyau.

b) Les masses des noyaux isotopiques suggéraient deux possibilités : soit que les particules constituant le noyau avaient approximativement la même masse, soit que les noyaux contenaient des particules de masses tellement différentes que la masse de certains était négligeable en comparaison avec celle des autres particules (et donc que la masse de ces dernières ne contribuait pas à la masse isotopique à un degré notable).

Cette dernière possibilité paraissait très plausible puisqu’elle correspondait bien avec le modèle proton-électron du noyau. De plus, l’idée que le noyau puisse contenir des électrons semblait découler du fait que la désintégration bêta naturelle est ac- compagnée par l’émission d’électrons. Le modèle proton-électron expliquait aussi pourquoi les poids atomiques des isotopes étaient presque des nombres entiers.

Selon ce modèle, la masse du noyau devrait être partiellement égale aux masses des protons qui le constituent puisque la masse électronique représente environ 1/2000^e de celle du proton. Le nombre d’électrons dans le noyau doit être tel que la charge totale provenant des protons positifs et des électrons négatifs donne finalement une véritable charge positive du noyau.

(31)

Étant donné toute sa simplicité et sa logique, le modèle proton-électron a été réfuté d’avance en physique nucléaire. En fait, ce modèle allait à l’encontre des propriétés les plus importantes du noyau.

Si le noyau contenait des électrons, alors le moment magnétique nucléaire serait du même ordre de grandeur que le magnéton électronique de Bohr. Notez que le moment magnétique nucléaire est défini par le magnéton nucléaire (ce dernier représente environ 1/2000^e du magnéton électronique).

Les données à propos du spin nucléaire témoignaient aussi contre le modèle proton- électron. Par exemple, selon ce modèle, le noyau du béryllium ⁹₄

Be

contiendrait neuf protons et 5 électrons de sorte que la charge totale serait égale à quatre charges positives élémentaires. Or, le proton et l’électron ont chacun un spin demi-entier (h/2).

Le spin total du noyau fait de 14 particules (neuf protons et cinq électrons) aurait dû être entier. En fait, le noyau du béryllium, ⁹₄

Be

, a un spin demi-entier d’une grandeur de 3h/2. De nombreux autres exemples de ce genre pourraient être cités.

La dernière, mais non la moindre des critiques : le modèle proton-électron entrait en conflit avec le principe d’incertitude d’Heisenberg. Si le noyau contenait des électrons, alors l’incertitude dans la position de l’électron,Δ serait comparable aux dimensions x, linéaires du noyau qui sont de 10⁻¹⁴ ou de10⁻¹⁵m. Prenons par exemple la valeur la plus grande, soit Δ =x 10⁻¹⁴. Selon la relation d’incertitude d’Heisenberg, pour le moment cinétique de l’électron, nous avons :

ÄP>>h/Äx>>10 =10 kg m/s

^-14 ^-19 . Le moment cinétique P est directement lié à son incertitude, soit :ΔP P: ≈ Δ . Dès que P le moment cinétique de l’électron est connu, il est possible de trouver son énergie.

Étant donné que dans l’exemple ci-dessus,P>>m c 10 kg 3 10 m/s_e = ⁻³⁰ × × ⁸ ^{, il est} possible d’utiliser la relation relativiste entre l’énergie et le moment cinétique :

2 2 2 2 4

E =c p +m ce

Nous obtenons alors :

2 2 8 38 30 8 2

8

3 10 10 (10 3 10 ) 2 10 200

E c p m ce

eV MeV

− −

= + = × + × ×

≈ × =

Le résultat que nous obtenons est excessivement plus élevé que le 7-8 MeV trouvé, par l’expérimentation, comme valeur de l’énergie totale de liaison. De plus, le résultat représente plusieurs fois l’énergie des électrons qui est émise lors de la désintégra- tion bêta. Si, par contre, nous assumions que les électrons dans le noyau avaient une énergie comparable à celle qui est associée aux particules émises dans la désintégra- tion bêta (habituellement un petit nombre de MeV), alors la région où les électrons

(32)

pourraient être localisés, c’est-à-dire la grosseur du noyau tel que trouvé à partir de la relation d’incertitude, serait beaucoup plus grande que celle qui est trouvée par observation.

Une solution a été trouvée en 1932 lorsque Chadwick a découvert une nouvelle particule fondamentale. À partir de l’analyse des trajectoires suivies par les particules produites dans quelques réactions nucléaires et à partir de l’application de la loi de conservation de l’énergie et du moment cinétique, Chadwick a conclu que ces trajectoires pouvaient seulement être suivies par une particule dont la masse est légèrement plus grande que celle du proton et dont la charge électrique est de zéro.

Par conséquent, cette nouvelle particule a été nommée le neutron.

Selon le point de vue actuel, un noyau est composé de nucléons : les protons et les neutrons. Puisque la masse d’un nucléon représente environ 2000 fois la masse d’un électron, le noyau porte pratiquement toute la masse de l’atome.

Un nucléide est une combinaison spécifique d’un nombre de protons et de neutrons.

Le symbole complet d’un nucléide est écrit ainsi : A

Z

X

Dans ce symbole, X représente le symbole chimique de l’élément; Z, le numéro atomique, c’est-à-dire le nombre de protons dans le noyau; A, le nombre total de nucléons dans le noyau (aussi connu sous le nom de nombre de masse).

L’équation «N = A − Z » permet de connaître le nombre de neutrons.

En physique nucléaire, nous disons que le proton et le neutron sont deux états char- gés de la même particule (le nucléon). Le proton est l’état protonique d’un nucléon ayant une charge de +e, tandis que le neutron est l’état neutronique ayant une charge de zéro. Selon les données les plus récentes, la masse au repos d’un proton et d’un neutron sont respectivement de :

p e

n e

m =1.0075975±0.000001 amu=(1836.09±0.01)m m =1.008982±0.000003 amu=(1838.63±0.01)m

Le proton et le neutron ont le même nombre de masse égal à l’unité. Dans le noyau, les nucléons sont dans des états substantiellement différents de leurs états libres.

Ceci est causé par le fait que dans tous les noyaux, excepté dans celui de l’hydrogène ordinaire, il y a au moins deux nucléons entre lesquels existe une interaction ou un couplage nucléaire spécial.

Le modèle proton-neutron du noyau explique à la fois les valeurs de masses isotopiques observées et les moments magnétiques du noyau. Alors, puisque les moments magnétiques du proton et du neutron sont du même ordre de grandeur que celui du magnéton nucléaire, il en découle qu’un noyau fait de nucléons devrait avoir un

(33)

moment magnétique du même ordre que le magnéton nucléaire. Par conséquent, si les protons et les neutrons sont les éléments constitutifs du noyau, le moment magnétique devrait être du même ordre de grandeur. Les observations ont confirmé ces prédictions.

10 m

10

1 fm (femto meter = fermi) =

⁻ est l’échelle de longueur typique de la physique nucléaire. De plus, avec les protons et les neutrons comme constituants du noyau, le principe d’incertitude mène à des valeurs raisonnables d’énergie pour ces particules dans un noyau, en plein accord avec les énergies par particules obser- vées.

Finalement, grâce à l’hypothèse selon laquelle les noyaux sont composés de neutrons et de protons, la difficulté provenant du spin nucléaire a également été surmonté.

Dans le cas d’un noyau qui contient un nombre pair de nucléons, il a un spin entier (en unités de

h

). Par contre, dans le cas d’un noyau qui possède un nombre impair de nucléons, son spin sera demi-entier (en unités de

h

).

1.2 Énergie de liaison nucléaire

Les noyaux des atomes contiennent des protons chargés positivement et des neutrons non chargés qui forment un système stable malgré le fait que les protons subissent la force de répulsion coulombienne. La stabilité d’un noyau est un indicateur montre qu’il doit y avoir une quelconque force de liaison entre les nucléons. La force de liaison peut être étudiée en fonction de l’énergie seulement, et ce, sans faire appel à des considérations à propos de la nature ou des propriétés des forces nucléaires.

Nous pouvons avoir une bonne idée de la force d’un système en observant l’effort requis pour briser la liaison ou pour travailler contre la liaison. Cette démarche a permis de découvrir plusieurs faits importants à propos des forces qui retiennent les nucléons dans le noyau.

L’énergie requise pour retirer n’importe quel nucléon du noyau est nommée l’éner- gie de liaison (énergie de séparation) de ce nucléon dans le noyau. Cette énergie est égale au travail qui doit être fait pour pouvoir retirer ce nucléon du noyau sans lui transmettre d’énergie cinétique. L’énergie de liaison totale est définie comme étant la quantité de travail qui doit être faite pour séparer le noyau de ses nucléons. Selon la loi de la conservation de l’énergie, il est logique que la quantité d’énergie requise pour former un noyau soit la même quantité que celle qui est relâchée lorsqu’on brise ce noyau.

La force de l’énergie de liaison d’un noyau peut être estimée à partir des considérations suivantes. La masse au repos de n’importe quel noyau stable de façon permanente est inférieure à la somme des masses au repos des nucléons que ce noyau contient. C’est comme si les protons et les nucléons perdaient une partie de leur masse pendant le processus de regroupement pour former un noyau.

(34)

Une explication de ce phénomène est donnée par une théorie spéciale de la relativité.

Ce fait justifié par la conversion d’une partie de l’énergie de masse des particules en énergie de liaison. L’énergie d’un corps au repos, E₀, est en lien avec sa masse au repos, m₀, par l’équation suivante :

E =m c

₀ ₀ ², où c représente la vitesse de la lumière dans le vide.

Si l’on désigne l’énergie libérée lors de la formation d’un noyau comme étant

Δ E

_balors l’équivalent en masse de l’énergie de liaison totale,

Äm =ÄE /c

₀ _b ², est la diminu- tion dans la masse au repos au fur et à mesure que les nucléons se combinent pour constituer un noyau. La quantité Δm_o est aussi connue sous le nom de défaut de masse ou décrément de masse.

Si un noyau de masse M est composé d’un nombre Z de protons ayant une masse mp et d’un nombre A-Z de neutrons ayant une masse m_n, alors la quantité Δm_o est donnée par :

o p n

Ä m =Zm +(A-Z)m -M

La quantité Δm_o donne une mesure de l’énergie de liaison :

2 2

b 0 p n

ÄE =Äm c =[Zm +(A-Z)m -M]c

En physique nucléaire, les énergies sont exprimées en unités atomiques d’énergie (uma) qui correspondent aux unités de masse atomique :

( ^m ^s ) ^kg

uma c

uma 1 9 10 / 1 . 660

1 =

²

× = ×

¹⁶ ² ²

×

=

1 . 491 × 10

⁻¹⁰

j = 931 . 1 MeV

Par conséquent, pour connaître l’énergie de liaison en MeV, il faut utiliser l’équa- tion

b p n

ÄE =[Zm +(A-Z)m -M] 931.1MeV×

(35)

où les masses des nucléons et les masses des noyaux sont exprimées en unités de masse atomique. En moyenne, l’énergie de liaison par nucléon est d’environ 8 MeV, ce qui représente une assez grande quantité.

Figure : Une courbe représentant l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A.

Comme nous voyons dans le schéma, la force de liaison varie selon le nombre de masse du noyau. La liaison est à son plus fort au milieu du tableau périodique, dans la zone 28<A<138, c’est-à-dire de₁₄²⁸

Si

à¹³⁸₅₆Ba . Dans ces noyaux, l’énergie de liaison est très près de 8,7 MeV. S’il y a des augmentations supplémentaires en ce qui a trait au nombre de nucléons dans le noyau, alors l’énergie de liaison par nucléon diminue. Pour un noyau à la fin du tableau périodique (par exemple, l’uranium),

Äå

_b est d’environ 7,6 MeV.

Dans la région des petits nombres de masse, l’énergie de liaison par nucléon montre les maxima et les minima caractéristiques. Les minima dans l’énergie de liaison par nucléon sont illustrés par les noyaux qui contiennent un nombre impair de protons et de neutrons, tels que ⁶₃

Li, B and N

¹⁰₅ ¹⁴₇ .