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Henri SERGOLLE : Professeur à l’Université Paris-Sud
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Cet article doit permettre au lecteur de comprendre la stabilité du noyau, cet édifice très petit et extraordinairement dense situé au cœur de l’atome. C’est une étape nécessaire à la compréhension de notre Univers, depuis la physique des constituants élémentaires jusqu’à la cosmologie. La compréhension des propriétés du noyau fournit aussi les bases nécessaires pour aborder les techniques nuclé-aires (énergie nucléaire, applications à la médecine et à la biologie, imagerie, implantation…), non traitées ici.
Quelques exemples de recherches actuelles sur des noyaux très exotiques et sur la matière nucléaire dans des conditions extrêmes de moment cinétique (spin) ou de température illustrent les concepts de physique nucléaire et les apports pos-sibles à d’autres domaines, telles la physique des pfarticules et l’astrophysique.
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1. Constituants du noyau. Sa stabilité
1.1 Généralités
Petit édifice au cœur de l’atome (figure 1 a ), le noyau constitue un milieu extraordinairement dense formé de protons et de neutrons (figure 1 b ). Son existence a été établie par Lord Rutherford en 1911, à la suite d’expériences de diffusion de particules α (noyaux
issus d’émetteurs radioactifs). Après sa découverte, une vingtaine d’années ont été nécessaires pour élucider sa composition. La découverte du neutron par Chadwick en 1932, a permis de comprendre que le noyau d’un atome de numéro atomique Z et de nombre de masse A comporte :
Z protons
et
N = (A − Z ) neutrons.
On a longtemps considéré protons et neutrons comme des particules fondamentales. Aujourd’hui, de nombreuses observations expérimentales ont imposé l’idée qu’ils ne sont pas élémentaires.
Chacun d’eux est constitué de trois quarks (figure 1 c ), liés par des gluons qui sont, à ce niveau d’infiniment petit, les vecteurs de l’interaction forte responsable de leur cohésion : ainsi, le proton contient deux quarks « up » et un quark « down », le neutron est formé d’un quark « up » et deux quarks « down ». Ces quarks sont aujourd’hui considérés, avec les leptons, comme les constituants ultimes de la matière, rien n’ayant à ce jour indiqué qu’ils pourraient avoir eux-mêmes une structure (cf., dans ce traité, l’article Particules élémentaires et interactions fondamentales).
La description la plus complète du noyau devrait donc considérer ces constituants élémentaires en interaction. Cependant, les quarks sont confinés dans les nucléons ; la stabilité de ces derniers est si grande que, aux énergies mises en jeu quand on s’intéresse aux noyaux, leur structure en quarks peut être oubliée,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Noyaux atomiques et radioactivité. - Pour la Science, M 1 930 - octobre 1996.
-
(2) - VALENTIN (L.) - Le monde subatomique. - Hermann - 1995.
-
(3) - POVH (B.), RITH (K.), SCHOLZ (C.), ZETSCHE (F.) - Particles and Nuclei : an introduction to the physical concepts - Springer Verlag - 1995.
-
(4) - TUBIANA (M.), DAUTRAY (R.) - La radioactivité et ses applications. - Collection Que sais-je - 1996.
-
(5) - WEISSKOPF (V. F.) - The development of field theory in the last 50 years. - Physics Today - novembre 1981.
-
(6) - HEYDE (K. L. G.) - The nuclear shell model. - Springer Verlag - 1990.
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