Noyau atomique

Le noyau d'un atome est la tr??s petite zone dense d'un atome, en son centre constitu?? de nucl??ons ( protons et neutrons ). La taille (diam??tre) du noyau est dans la gamme de 1,6 fm (10 ^-15 m) (pour un proton dans l'hydrog??ne l??ger) ?? environ 15 fm (pour les atomes les plus lourds, comme l'uranium). Ces dimensions sont beaucoup plus petites que la taille de l'atome lui-m??me par un facteur d'environ 23 000 (uranium) ?? environ 145 000 (hydrog??ne). Presque toute la masse d'un atome est constitu?? de protons et de neutrons dans le noyau avec une tr??s petite contribution de la mise en orbite des ??lectrons . L'??tymologie du noyau terme est de 1704 signifie ??noyau d'un ??crou". En 1844, Michael Faraday a utilis?? le terme pour d??signer le "point central d'un atome". Le sens atomique moderne a ??t?? propos??e par Ernest Rutherford en 1912. L'adoption du terme ??noyau?? de la th??orie atomique, cependant, n'a pas ??t?? imm??diate. En 1916, par exemple, Gilbert N. Lewis a d??clar??, dans son c??l??bre article L'Atom et la mol??cule, que ??l'atome est compos?? du noyau et un atome ext??rieure ou shell".

Introduction

Maquillage nucl??aire

Le noyau d'un atome est constitu?? de protons et de neutrons (deux types de baryons) li??s par la force nucl??aire. Ces baryons sont en outre constitu??es de particules sub-atomiques fondamentales appel??es quarks li??s par la forte interaction.

Isotopes et des nucl??ides

L' isotope d'un atome est d??termin??e par le nombre de neutrons dans le noyau. Diff??rents isotopes d'un m??me ??l??ment ont tr??s semblables chimiques propri??t??s. Diff??rents isotopes dans un ??chantillon d'un produit chimique particulier peuvent ??tre s??par??s en utilisant un centrifugation ou en utilisant un spectrom??tre de masse . La premi??re m??thode est utilis??e dans la production de uranium enrichi ?? partir d'un ??chantillon d'uranium r??gulier, et la seconde est utilis??e dans datation au carbone.

Le nombre de protons et de neutrons d??terminent ensemble le nucl??ide (type de noyau). Les protons et les neutrons ont des masses ?? peu pr??s ??gales, et leur nombre combin??, le nombre de masse, est approximativement ??gale ?? la masse atomique d'un atome. La masse combin??e des ??lectrons est tr??s faible par rapport ?? la masse du noyau, ??tant donn?? que les protons et les neutrons p??sent environ 2000 fois plus que les ??lectrons.

Histoire

La d??couverte de l' ??lectron par JJ Thomson ??tait la premi??re indication que l'atome avait la structure interne. Au tournant du 20e si??cle, le mod??le accept?? de l'atome ??tait JJ Thomson "Plum pudding" mod??le dans lequel l'atome ??tait une grosse boule charg??e positivement avec de petits ??lectrons charg??s n??gativement embarqu??s ?? l'int??rieur de celui-ci. Au tournant du si??cle physiciens ont ??galement d??couvert trois types de rayonnement provenant atomes, qu'ils nomm??rent alpha, b??ta, et rayonnement gamma. Exp??riences en 1911 par Lise Meitner et Otto Hahn, et en James Chadwick en 1914 a d??couvert que la d??sint??gration b??ta spectre ??tait continu plut??t que discr??te. Autrement dit, les ??lectrons ont ??t?? ??ject??s de l'atome avec une gamme d'??nergies, plut??t que les quantit??s discr??tes d'??nergie qui ont ??t?? observ??s en gamma et alpha se d??sint??gre. Ce ??tait un probl??me pour la physique nucl??aire ?? l'??poque, car il a indiqu?? que l'??nergie n'a pas ??t?? conserv?? dans ces d??sint??grations. Le probl??me serait plus tard mener ?? la d??couverte du neutrino (voir ci-dessous).

En 1906, Ernest Rutherford a publi?? ??Radiation de la particule α de Radium en passant ?? travers la mati??re" dans Philosophical Magazine (12, p 134-46). Geiger a d??velopp?? ce travail dans une communication ?? la Soci??t?? royale (Proc. Roy. Soc 17. Juillet, 1908) avec des exp??riences lui et Rutherford avait fait passer des particules α dans l'air, une feuille d'aluminium et feuille d'or. Plus de travail a ??t?? publi?? en 1909 par Geiger et Marsden (Proc. Roy. Soc. A82 p 495-500) et le travail encore consid??rablement ??largi a ??t?? publi?? en 1910 par Geiger (Proc. Roy. Soc. 1 f??vrier 1910). En 1911-2 Rutherford allait devant la Soci??t?? royale pour expliquer les exp??riences et proposer la nouvelle th??orie du noyau atomique comme nous le comprenons maintenant.

Vers la m??me ??poque que ce qui se passait ( 1909 ) Ernest Rutherford a effectu?? une remarquable exp??rience dans laquelle Hans Geiger et Ernest Marsden sous sa supervision tir?? particules alpha (noyaux d'h??lium) ?? un film mince de l'or feuille. Le mod??le de plum-pudding pr??dit que les particules alpha devraient sortir de la feuille avec leurs trajectoires ??tant au plus l??g??rement fl??chis. Il a ??t?? choqu?? de d??couvrir que quelques particules ont ??t?? dispers??es dans de grands angles, m??me compl??tement en arri??re dans certains cas. La d??couverte, en commen??ant par l'analyse de Rutherford des donn??es en 1911, a finalement conduit au mod??le Rutherford de l'atome, dans lequel l'atome a un tr??s petit noyau, tr??s dense constitu?? de particules charg??es positivement lourds avec des ??lectrons embarqu??s afin d'??quilibrer le responsable. A titre d'exemple, dans ce mod??le, l'azote-14 est compos??e d'un noyau 14 avec des protons et des ??lectrons 7, et le noyau est entour?? d'??lectrons plus 7 orbite.

Le mod??le de Rutherford a plut??t bien fonctionn?? jusqu'?? ce que des ??tudes de spin nucl??aire ont ??t?? effectu??s par Franco Rasetti au California Institute of Technology en 1929 . En 1925 il a ??t?? connu que les protons et les ??lectrons ont une rotation de 1/2, et dans le mod??le de Rutherford azote-14 les 14 protons et six des ??lectrons devraient avoir jumel?? pour annuler les uns les autres tourner, et l'??lectron finale devraient avoir quitt?? le noyau avec un spin de 1/2. Rasetti d??couvert, cependant, que de l'azote a une 14 rotation d'un.

En 1930 Wolfgang Pauli a ??t?? incapable d'assister ?? une r??union ?? T??bingen, et a plut??t envoy?? une lettre c??l??bre avec l'introduction classique "Cher radioactifs Mesdames et Messieurs". Dans sa lettre Pauli a sugg??r?? que peut-??tre il y avait une troisi??me particule dans le noyau qu'il a appel?? le ??neutrons??. Il a sugg??r?? que ce ??tait tr??s l??ger (plus l??ger que l'??lectron), ne avait pas de responsable, et qu'il n'a pas facilement interagir avec la mati??re (ce est pourquoi il ne avait pas encore ??t?? d??tect??). De cette fa??on d??sesp??r??e ?? r??soudre ?? la fois le probl??me de la conservation de l'??nergie et de la rotation de l'azote-14, le premier parce que "le neutron" de Pauli emportait l'??nergie suppl??mentaire et le second parce qu'une "neutron" extra appari??s avec l'??lectron dans l'azote 14 noyau lui donnant tourner une. ??Le neutron" de Pauli a ??t?? rebaptis?? neutrino (italien pour petit neutre) par Enrico Fermi en 1931 , et apr??s une trentaine d'ann??es, il a finalement ??t?? d??montr?? qu'un neutrino est vraiment ??mis lors de la d??sint??gration b??ta.

En 1932 Chadwick r??alis?? que le rayonnement qui avait ??t?? observ?? par Walther Bothe, Herbert L. Becker, Ir??ne et Fr??d??ric Joliot-Curie ??tait en fait due ?? une particule massive qu'il a appel?? le neutron. Dans la m??me ann??e Dmitri Ivanenko sugg??r?? que les neutrons sont en fait des particules de spin 1/2 et que le noyau contenait neutrons et qu'il n'y avait pas d'??lectrons en elle, et Francis Perrin a sugg??r?? que les neutrinos ne sont pas des particules nucl??aires, mais ont ??t?? cr????s lors de la d??sint??gration b??ta. Pour couronner l'ann??e sabbatique, Fermi a pr??sent?? une th??orie du neutrino Nature (qui les ??diteurs rejet??s pour ??tre ??trop ??loign??e de la r??alit??"). Fermi a continu?? ?? travailler sur sa th??orie et publi?? un papier dans 1934 qui a plac?? le neutrino sur base th??orique solide. Dans la m??me ann??e Hideki Yukawa a propos?? la premi??re th??orie importante de la force forte d'expliquer comment le noyau tient ensemble.

Avec papiers Fermi et Yukawa est le mod??le moderne de l'atome ??tait compl??te. Le centre de l'atome contient une boule serr??e de neutrons et de protons, qui est maintenu par la force nucl??aire forte. Noyaux instables peuvent subir une d??sint??gration alpha, dans lequel ils ??mettent un noyau d'h??lium ??nergique, ou la d??sint??gration b??ta, dans lequel ils ??jectent un ??lectron (ou positrons). Apr??s l'une de ces d??sint??grations le noyau r??sultante peut ??tre laiss?? dans un ??tat excit??, et dans ce cas il se d??sint??gre ?? son ??tat fondamental en ??mettant des photons de haute ??nergie (d??sint??gration gamma).

L'??tude des forces nucl??aires forte et faible a conduit les physiciens ?? entrer en collision les noyaux et ??lectrons ?? des ??nergies toujours plus ??lev??es. Cette recherche est devenue la science de la physique des particules , le joyau de la couronne de qui est le mod??le standard de la physique des particules qui unifie les forces fortes, faibles et ??lectromagn??tiques.

La physique nucl??aire moderne

Un noyau l??ger peut contenir des centaines de nucl??ons qui signifie que, avec une approximation elle peut ??tre trait??e comme un syst??me classique , plut??t que la m??canique quantique une. Dans le r??sultantes mod??le de goutte de liquide, le noyau a une ??nergie qui provient en partie de la tension de surface et en partie ?? partir de la r??pulsion ??lectrique des protons. Le mod??le de goutte de liquide est capable de reproduire de nombreuses caract??ristiques de noyaux, y compris la tendance g??n??rale de ??nergie de liaison par rapport ?? nombre de masse, ainsi que le ph??nom??ne de fission nucl??aire .

Superpos??e sur cette image classique, cependant, sont les effets de la m??canique quantique, qui peuvent ??tre d??crits en utilisant le nucl??aire mod??le coquille, d??velopp?? en grande partie par Maria Goeppert-Mayer. Noyaux avec certains nombres de neutrons et de protons (la nombres magiques 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) sont particuli??rement stables, parce que leurs coquilles sont remplis.

Une grande partie de la recherche actuelle en physique nucl??aire a trait ?? l'??tude des noyaux dans des conditions extr??mes telles que la haute spin et de l'??nergie d'excitation. Les noyaux peuvent ??galement avoir des formes extr??mes (semblable ?? celui de ballons de football am??ricain ) ou des rapports extr??mes neutrons ?? protons. Les exp??rimentateurs peuvent cr??er de tels noyaux utilisant des r??actions de fusion ou de transfert du nucl??on induites artificiellement, utilisant des faisceaux d'ions d'un acc??l??rateur. Poutres avec des ??nergies encore plus ??lev??es peuvent ??tre utilis??s pour cr??er des noyaux ?? des temp??ratures tr??s ??lev??es, et il ya des signes que ces exp??riences ont produit un transition de phase de la mati??re nucl??aire ordinaire ?? un nouvel ??tat, le plasma quark-gluon, dans lequel les quarks se m??lent les uns aux autres, plut??t que d'??tre s??par??s en triolets car ils sont en neutrons et de protons.

Sujets modernes en physique nucl??aire

Changements spontan??s d'un nucl??ide ?? l'autre: la d??sint??gration nucl??aire

Si un noyau a trop ou trop peu de neutrons, il peut ??tre instable et se d??sint??gre apr??s une certaine p??riode de temps. Par exemple, l'azote -16 atomes (7 protons, neutrons 9) d??sint??gration b??ta oxyg??ne -16 atomes (8 protons, 8 neutrons) en quelques secondes d'??tre cr????. Dans ce d??sint??gration d'un neutron dans le noyau d'azote est transform?? en un proton et un ??lectron par le force nucl??aire faible. L'??l??ment des changements atomiques car se il avait d??j?? sept protons (ce qui rend l'azote), il a maintenant huit (ce qui le rend oxyg??ne). De nombreux ??l??ments ont plusieurs isotopes stables pendant des semaines, des ann??es, voire des milliards d'ann??es.

La fusion nucl??aire

Lorsque deux noyaux l??gers entrent en contact tr??s ??troit avec l'autre, il est possible pour la force forte pour fusionner les deux ensemble. Il faut beaucoup d'??nergie pour pousser les noyaux assez proches ensemble pour la force forte pour avoir un effet, de sorte que le processus de fusion nucl??aire ne peut avoir lieu ?? des temp??ratures tr??s ??lev??es ou de fortes densit??s. Une fois que les noyaux sont assez proches les unes des la force forte surmonte leur r??pulsion ??lectromagn??tique et les ??crase dans un nouveau noyau. Une tr??s grande quantit?? d'??nergie est lib??r??e lorsque les noyaux l??gers fusionnent parce que le ??nergie par nucl??on augmentations liaison avec nombre de masse jusqu'?? nickel -62. Stars comme notre soleil sont aliment??s par la fusion de quatre protons dans le noyau d'h??lium, deux positons, et deux neutrinos. La fusion non contr??l??e de l'hydrog??ne en h??lium est connu comme un arme thermonucl??aire. Recherche de trouver une m??thode ??conomiquement viable d'utiliser l'??nergie d'une r??action de fusion contr??l??e est actuellement men??e par divers ??tablissements de recherche (voir JET et ITER).

Fission nucl??aire

Pour les noyaux plus lourds que le nickel -62 la ??nergie de liaison par nucl??on diminue avec la nombre de masse. Il est donc possible pour l'??nergie d'??tre lib??r?? si un noyau lourd se brise en deux plus l??gers. Ce fractionnement d'atomes est connu comme la fission nucl??aire.

Le processus de d??sint??gration alpha peut ??tre consid??r?? comme un type sp??cial de spontan??e fission nucl??aire . Ce proc??d?? produit une fission hautement asym??trique du fait que les quatre particules qui constituent la particule alpha sont ??troitement li??s en particulier ?? l'autre, ce qui rend la production de ce noyau dans fission particuli??rement susceptibles.

Pour certains des noyaux plus lourds qui produisent des neutrons sur la fission, et qui ??galement facilement absorber les neutrons pour lancer la fission, un type de la fission des neutrons ?? l'initiative d'auto-inflammation peut ??tre obtenu, dans un soi-disant r??action en cha??ne. [Les r??actions en cha??ne ont ??t?? connus dans la chimie avant la physique , et en fait de nombreux processus familiers comme les incendies et les explosions chimiques sont des r??actions en cha??ne chimiques]. La fission ou ??nucl??aire?? r??action en cha??ne, en utilisant des neutrons de fission-produit, est la source d'??nergie pour les centrales nucl??aires et les centrales nucl??aires de type bombes de fission comme les deux que le ??tats-Unis utilis?? contre Hiroshima et Nagasaki ?? la fin de la Seconde Guerre mondiale . Noyaux lourds tels que l'uranium et le thorium peut subir fission spontan??e, mais ils sont beaucoup plus susceptibles de subir la d??composition par la d??sint??gration alpha.

Pour une r??action en cha??ne de neutrons ?? l'initiative de se produire, il doit y avoir un masse critique de l'??l??ment pr??sent dans un certain espace sous certaines conditions (ces conditions lente et conserver neutrons pour les r??actions). Il existe un exemple connu d'un R??acteur de fission nucl??aire naturel, qui ??tait actif dans deux r??gions du Oklo, au Gabon, en Afrique, il ya plus de 1,5 milliards d'ann??es. Mesures d'??mission de neutrino naturel ont d??montr?? que pr??s de la moiti?? de la chaleur ??manant des r??sultats de base de la terre ?? partir de la d??sint??gration radioactive. Cependant, on ne sait pas si tout cela r??sulte de fission des r??actions en cha??ne.

Production d'??l??ments lourds

Comme l'Univers refroidi apr??s la big bang , il est finalement devenu possible pour les particules que nous savons qu'elles existent. Les particules les plus communs cr????s dans le big bang qui sont encore facilement observables ?? nous aujourd'hui ??taient protons ( hydrog??ne ) et des ??lectrons (en nombre ??gal). Certains ??l??ments plus lourds ont ??t?? cr????s comme les protons sont entr??s en collision les uns avec les autres, mais la plupart des ??l??ments lourds que nous voyons aujourd'hui a ??t?? cr???? ?? l'int??rieur des ??toiles au cours d'une s??rie d'??tapes de fusion, comme le cha??ne proton-proton, le Cycle CNO et de la triple processus-alpha. Progressivement ??l??ments plus lourds sont cr????s au cours de la ??volution d'une ??toile. Depuis l'??nergie de liaison par nucl??on pics autour du fer, de l'??nergie ne est lib??r?? dans les processus de fusion qui se produisent dessous de ce point. Depuis la cr??ation de noyaux plus lourds par fusion co??te de l'??nergie, stations de nature ?? le processus de capture de neutrons. Neutrons (en raison de leur absence de charge) sont facilement absorb??s par un noyau. Les ??l??ments lourds sont cr????s soit par un processus de capture de neutrons lents (le proc??d?? dit s) ou par le ou un processus rapide r. Le processus de s se produit dans pulsation thermique ??toiles (appel?? AGB ou asymptotique ??toiles Giant Branch) et prend des centaines de milliers d'ann??es pour atteindre les ??l??ments les plus lourds de plomb et de bismuth. Le processus de r est suppos??e se produire dans des explosions de supernova en raison du fait que les conditions de haute temp??rature, haute flux de neutrons ??ject??s et la mati??re sont pr??sents. Ces conditions stellaires font le neutron successive capture tr??s rapide, impliquant des esp??ces tr??s riches en neutrons qui a ensuite d??sint??gration b??ta d'??l??ments plus lourds, en particulier aux points d'attente dits qui correspondent aux nucl??ides plus stables avec des coquilles de neutrons ferm?? ( nombres magiques). La dur??e du processus de r est typiquement dans la gamme de quelques secondes.