L’atome · atome est appelé par le nom de son élément chimique suivi du nombre total de ses nucléons: carbone 12, carbone 13 et carbone 14. Les propriétés chimiques d’un

> INTRODUCTION

De l’infiniment grand à l’infiniment petit 1 > L’atomeDe l’infiniment grand à l’infiniment petit 1 > L’atome

D E L A R E C H E R C H E

À L’ I N D U S T R I E

> De l’infiniment grand à l’infiniment petit

AU CŒUR DE LA MATIÈRE: LES ATOMESÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPESLES QUATRE INTERACTIONSFONDAMENTALESLA PHYSIQUE NUCLÉAIRE

© Commissariat à l’Énergie Atomique, 2002Direction de la communicationBâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr

ISSN 1637-5408.

LA COLLECTION

1 > L’atome2 > La radioactivité3 > L’homme et les rayonnements4 > L’énergie5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire7 > Le cycle du combustible nucléaire8 > La microélectronique

1 > L’atome

> INTRODUCTION

De l’infiniment grand à l’infiniment petit 1 > L’atome

> SOMMAIRE 32

introductionLa découverte de l’atome est due à des phi-

losophes, tels que Leucippe et Démocrite,qui, pour tenter de répondre aux questions por-tant sur le commencement et la fin du cosmos,l’unité et la diversité des êtres matériels, onttrouvé un dénominateur commun pour tousles êtres, pour tout l’univers : l’atome.Au fil des années et des siècles, cette volontéde comprendre l’origine du monde a contribué

à considérer l’atome comme un objet physiquepar les physiciens. Cette “petite unité dematière” a permis de faire un grand pas dansla compréhension de notre univers et est encoreau centre de nombreuses recherches, mais ellen’a pas dit son dernier mot.

AU CŒUR DE LA MATIÈRE:LES ATOMES 4La composition des atomes 5Les tailles d’un atome et de son noyau 5La masse de l’atome 6La charge électrique de l’atome 6

ÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES 8Les éléments chimiques 9Les isotopes 9Le tableau de Mendeleïev 11

LES QUATRE INTERACTIONSFONDAMENTALES 12L’interaction forte 13L’interaction électromagnétique 13L’interaction faible 14La gravitation 14

LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE 15Une brève description du noyau 16La microchirurgie du noyau 16La fournaise nucléaire 19

> INTRODUCTION 3

L’ato

me

Grêle électrostatique.

Chaque atome estconstitué d’un noyauentouré d’un cortèged’électrons.

De gauche à droite: JosephJohn Thomson,Ernest Rutherfordet JamesChadwick.


• Dès le Ve siècle avant Jésus-Christ, Leucippe, puisDémocrite, nomment “atome” (du grec “atomos” qui ne peut être coupé) cette “petite unité dematière”, éternelle, illimitée et constamment en mouvement rapide.

• Il faudra attendre plus de 2500 ans pour approfondircette connaissance. En 1897, Joseph John Thomsondécouvre l’un des composants de l’atome, l’électron.En 1904, il imagine que les atomes sont des sphèresremplies d’une substance électriquement positive etfourrée d’électrons négatifs.

• En 1911, un savant anglais, Ernest Rutherford, voit que des particules projetées sur de la matière la traversent comme si c’était du vide, sauf quelques-unes, très rares qui sont déviées ou même rebondissent comme des balles de fusiltirées contre une large et haute haie recelantquelques billes d’acier. Il découvre ainsi le noyauatomique qui concentre presque toute la masse de l’atome dans un volume cent mille fois plus petitque ce dernier.

• On trouve ensuite que la charge électrique positive du noyau est portée par plusieurs corpuscules, les protons. Et, en 1932, James Chadwick découvre le neutron, constituant neutre du noyau. Lorsqu’il est seul, il se désintègre en proton et en électron,lorsqu’il est à l’intérieur du noyau atomique, il est stable.

• En 1969, des physiciens bombardent des noyaux avecun faisceau de particules (des électrons) suffisammentaccélérées pour pénétrer au cœur des nucléons. Et l'histoire de Rutherford se répète au sein même du nucléon, certains électrons rebondissent de façonapparemment bizarre. Ce ne peut être que sur descorpuscules encore plus petits. Ainsi sont découvertsles quarks. Chaque nucléon en contient trois.

• La dernière découverte est celle du quark. Peut-être un jour découvrira-t-on des particulesencore plus petites à l'intérieur des quarks !Mais il faudra disposer d'accélérateurs de particulesencore plus puissants. Plus on veut voir petit, plus le“microscope” doit être gros.

HISTORIQUE

Conception et réalisation: Spécifique - Photo de couverture: © PhotoDisc - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002

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> AU CŒUR DE LA MATIÈRE : LES ATOMES 54

UN ATOME EST CONSTITUÉD’UN NOYAU DE PROTONS ET DE NEUTRONS,ET D’UN NUAGE D’ÉLECTRONS.

LA COMPOSITION DES ATOMESLes planètes, l’air, l’eau, les pierres, les êtresvivants… tous les corps de la nature sontconstitués à partir d’atomes ou d’assemblagesd’atomes (molécules…). Contrairement à son

étymologie, l’atomen’est pas indivi-

sible. Comment est-il constitué?Un atome est composé :•d’un noyau central qui est un assemblage de protons et de neutrons. Les protons et lesneutrons constituent les nucléons (du mot grec “nucleus” signifiant noyau);•d’un nuage périphérique composé d’un cor-tège d’électrons, qui tournent à des vitessesprodigieuses autour du noyau. Il est impossiblede vraiment se représenter leurs trajectoires:seules des formules mathématiques permettentde prédire dans le nuage qu’ils forment autourdu noyau, les zones où l’on a le plus de chancesde les rencontrer.Il existe beaucoup d’atomes différents mais ils sont tous fabriqués à partir de protons, deneutrons et d’électrons tous identiques.

LES TAILLES D’UN ATOME ET DE SON NOYAULe diamètre du nuage électronique sphériquede l’atome est de l’ordre de 10-10 mètre. Cettetaille est vraiment minuscule. Pour atteindreun centimètre, il faudrait aligner 100 millionsd’atomes.


Au cœur de lamatière: les atomes

Assemblage de plusieurs atomes reliés par des liaisons chimiques.

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Nuage électronique

Noyau atomique

REPRÉSENTATION DU NUAGEÉLECTRONIQUE DE L’ATOME DE LITHIUM

L’atome de lithium représenté a trois protons, quatre neutrons et trois électrons. On ne peut pasdonner la position exacte des trois électrons dans le “nuage électronique” de l’atome de lithium. Dans cette représentation, les électrons se trouvent,de façon plus probable, dans les zones les plusfoncées. Cette image est le résultat de formulesmathématiques.

Le noyau est encore beaucoup plus petit. Iloccupe une sphère d’un diamètre de 10-15 mètreen moyenne, soit près de 100000 fois pluspetite que l’atome avec son nuage d’électrons.


> AU CŒUR DE LA MATIÈRE : LES ATOMES 76 > AU CŒUR DE LA MATIÈRE : LES ATOMES

le résultat du calcul n’est qu’une estimation (voirlivret L’énergie nucléaire: fusion et fission).

LA CHARGE ÉLECTRIQUE DE L’ATOMEDes trois éléments constituant l’atome, seul le neutron ne porte pas de charge électrique, ilest neutre, d’où son nom. Un proton porte unecharge positive et un électron, une charge néga-tive. Un atome dans son état normal comprendautant de protons que d’électrons. Il est doncélectriquement neutre. Cependant, dans cer-taines conditions (réactions chimiques…),l’atome peut perdre ou gagner un ou plusieursélectrons et peut alors être chargé positivementou négativement. Il est alors appelé ion.

LA MASSE DE L’ATOMEDans l’atome, la masse n’est pas répartie de façonhomogène. Les protons et les neutrons ont à peuprès la même masse, mais ils sont environ 2000fois plus lourds qu’un électron, si bien que lenoyau concentre quasiment toute la masse del’atome et que la matière dont est fait un noyauest un million de milliards de fois plus dense quela matière ordinaire. Si tous les noyaux de la Terrevenaient à se toucher, notre planète aurait à peineplus de cent mètres de diamètre et un grain desable pèserait plus d’une tonne. Pour estimer lamasse d’un noyau, il suffit donc de connaître sonnombre de nucléons (appelé aussi nombre demasse). Sachant que la masse d’un nucléon estd’environ 1,67.10-27 kg, il est facile de calculerune masse approximative d’un atome. Cependant,

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Dans la nature, tous les corps sont constitués à partir d’atomes ou d’assemblages d’atomes (molécules)…

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“L’espace entre le noyau et le nuage d’électrons est vide.”

> ÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES


98

LES ÉLÉMENTS CHIMIQUESUn élément chimique est un ensemble d’atomescomportant le même nombre de protons. Il estdésigné par un symbole d’une ou deux lettres(par exemple, 1Hpour l’hydrogène qui n’a qu’unproton, 26Fe pour le fer qui a 26 protons).Les atomes présents naturellement sur Terreappartiennent à 90 éléments chimiques comprenant de 1 à 92 protons. Les élémentschimiques, technétium (Tc) avec 43 protons etprométhéum (Pm) avec 61 protons, n’existentpas à l’état naturel. Ils peuvent cependant êtrecréés artificiellement ainsi que d’autres éléments

SELON LE NOMBRE DE LEURSCONSTITUANTS, LES ATOMES RELÈVENTDE CATÉGORIES DIFFÉRENTES.

Éléments chimiqueset isotopes

chimiques comprenant plus de 92 protonscomme, par exemple, le plutonium (Pu) avec94 protons.

LES ISOTOPESLes noyaux ne sont pas uniquement consti-tués de protons, ils contiennent aussi desneutrons. Des atomes d’un élément chimiquecomportant un nombre différent de neutronssont des isotopes de cet élément. Par exemple:•Tous les isotopes de l’hydrogène ont un protonet zéro, un ou deux neutrons. Ce sont l’hy-drogène léger (appelé souvent hydrogène tout

L’atome

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Un atome d’aluminium (Al) Un noyau d’aluminium

14 neutrons

13 protons

13 électrons

> ÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES


> ÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES 1110

court car c’est le plus répandu), l’hydrogènelourd ou deutérium, et le tritium (voir schémaci-dessus).•Tous les isotopes du carbone ont 6 protons.Les plus abondants ont 6, 7 ou 8 neutrons. Unatome est appelé par le nom de son élémentchimique suivi du nombre total de ses nucléons:carbone 12, carbone 13 et carbone 14.Les propriétés chimiques d’un atome dépen-dant seulement du nombre et de la disposi-tion des électrons dans son nuage, tous lesisotopes d’un même élément ont les mêmespropriétés chimiques. Cependant, la légère différence de masse de leur noyau fait queleurs propriétés physiques se différencientquelque peu.

“Les isotopes sont en quelque sorte des atomes “frères” qui possèdent lesmêmes propriétés chimiques mais unnombre différent de neutrons.”

LE NOM DES ATOMESUn atome se caractérise par son nombre de protons (identique à celui des électrons)et par son nombre de neutrons.

Il est appelé par le nom de son élémentchimique suivi de son nombre total denucléons (nombre de masse). Par exemple,oxygène 16, fer 59.

Le nom de l’élément chimique permet de connaître le nombre de ses protons. Et du nombre de ses nucléons, parsoustraction du nombre de ses protons, on peut déduire le nombre de ses neutrons.

Les isotopes

Noyau

L’hydrogène 1H Le deutérium 2H ou D Le tritium 3H ou T

1 électron{1 proton } Noyau

1 électron

{1 proton1 neutron} Noyau

1 électron

{1 proton2 neutrons}

Mercure

Li3

6,941Be

Tableau de Mendeleïev

4

9,0122

Na11

22,9898Mg

12

24,3050

Ca20

40,078K

19

39,0983Sc

21

44,956Ti

22

47,88V

23

50,942

La57

138,906

Nb41

92,906Zr

40

91,224Y

39

88,906Sr

38

87,62Rb

37

85,468

Cs55

132,905Ba

56

137,327à

57

71Hf

72

178,49

Rf104

(261,11)

Ta73

180,948

à89

103Ra

88

226,025Fr

87

(223)

W74

183,85Re

75

186,207Os

76

190,2Ir

77

192,22Pt

78

195,08Au

79

196,967Hg

80

200,59Rn

86

(222)At

85

(210)Po

84

(209)Bi

83

208,980Pb

82

207,2Tl

81

204,383

Sn50

118,710In

49

114,82Te

52

127,60Sb

51

121,75Xe

54

131,29I

53

126,905

Kr36

83,80Br

35

79,904Se

34

78,96As

33

74,9216

S16

32,066P

15

30,9736

Ge32

72,61Ga

31

69,723

Si14

28,0855Al

13

26,9815

N7

14,0067C

6

12,011B

5

10,811Ne

10

20,1797F

9

18,9984O

8

15,9994

Cl17

35,4527Ar

18

39,948

He2

4,00206

H1

1,00794

Cd48

112,411Ag

47

107,868Pd

46

106,42Rh

45

102,906

Zn30

65,39Cu

29

63,546Ni

28

58,69Co

27

58,9332Fe

26

55,847

Ru44

101,07Tc

43

(98)Mo

42

95,94

Mn25

54,9309Cr

24

51,996

Th Pa

LÉGENDE

Les chiffres entre parenthèses indiquent le nombre de masse de l'isotope le plus stable. D'après Handbook of chemistry and physics, 74st Ed. 1993, CRC Press et Pure and Applied Chemistry, 1997, 69, 2471

Numéro atomiqueSymboleMasse atomique

Période

1

2

3

4

5

6

7

1A MÉTAUX ALCALINS

2A MÉTAUX ALCALINO-TERREUX

3A HOMOLOGUES DES TERRES RARES

4A MÉTAUX ET MÉTALLOÏDES TÉTRAVALENTS 4B

5A Famille du VANADIUM

6A Famille du CHROME

7A Famille du MANGANÈSE8A 8B 8C

Période 4 : MÉTAUX MAGNÉTIQUESPériode 5 : Mine du PALLADIUM

Période 6 : Mine du PLATINE

MÉTAUX NOBLES 1B

MÉTALLOÏDES HALOGÈNES MONOVALENTS 7B

MÉTALLOÏDES BIVALENTS 6B

MÉTALLOÏDES TRIVALENTS 5B

MÉTAUX TRIVALENTS 3B

Famille du ZINC 2B

91

231,036

90

232,038

92

238,029U

94

(244)Pu

96

(247)Cm

98

(251)Cf

100

(257)Fm

102

(259)NoAc

89

227,028

Np

93

237,048

Am

95

(243)

Bk

97

(247)

Es

99

(252)

Md

101

(258)

Lr

103

(260)

Ce58

140,115Pr

59

140,908Nd

60

144,24Pm

61

(145)Sm

62

150,36Eu

63

151,965Gd

64

157,25Tb

65

158,925Dy

66

162,50Ho

67

164,930Er

68

167,26Tm

69

168,934Yb

70

173,04Lu

71

174,967

H1

1,00794

GAZ RARES

LANTHANIDES

ACTINIDES

Db105

262,11Sg

106

263,12Bh

107

264,12Hs

108

265,13Mt

109

268Uun

110

269Uuv

111

272Uub

112

277

Al

Aluminium

C

Carbone

Cd

Cadmium

Co

Cobalt

Cr

Chrome

Ge

Germanium

Hg

Mercure

In

Indium

Pb

Plomb

Si

Silicium

Tl

Thallium

W

Tungstène

> LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES


1312

Dans la nature, les objets sont soumis à toutessortes de forces qui s’exercent à distance.

Ainsi, par exemple, deux masses s’attirent,deux charges électriques s’attirent ou se repous-sent suivant leur signe. Les objets ont une actionl’un sur l’autre. Ils interagissent. Suivant lanature des objets, les forces d’interaction (ouplus simplement interactions) sont de quatretypes fondamentaux: l’interaction forte, l’in-teraction électromagnétique, l’interaction faibleet la gravitation.

L’INTERACTION FORTEL’interaction forte, ou force nucléaire forte,assure la cohésion du noyau en faisant forte-ment s’attirer les nucléons.Elle ne s’exerce qu’àdes distances très courtes, quelques diamètresde noyaux. À distance égale, elle est 100 à 1000 fois plus intense que l’interaction élec-tromagnétique.

L’INTERACTIONÉLECTROMAGNÉTIQUEL’interaction électromagnétique se manifestesous deux formes, la force électrique et la forcemagnétique. La première régit les phénomènesélectriques comme la foudre, les cheveux qui se dressent sur la tête quand il y a de l’élec-tricité dans l’air, et la deuxième, les phénomènesmagnétiques comme la boussole, les électro-aimants, etc. La force magnétique est un effetprovenant du mouvement des charges élec-triques, ainsi une boussole est perturbée parles éclairs d’un orage. Cette interaction fait se

DANS LA NATURE, TOUS LES OBJETSONT UNE ACTION L’UN SUR L’AUTRE.ON DIT QU’ILS INTERAGISSENT. “Une boussole

est perturbée par les éclairs d’un orage :c’est l’une desmanifestations de la force magnétique qui provient dumouvement descharges électriques.”

repousser deux charges électriques de mêmesigne (deux protons, par exemple), et s’attirerdeux charges de signes opposés (un électronet un noyau). Elle porte à l’infini, mais elle est quatre fois plus faible à distance double (loide “l’inverse carré de la distance”). Elle sous-tend les propriétés chimiques des atomes.

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La force électrique régit les phénomènes comme la foudreet intervient dans l’interaction électromagnétique.

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interactions fondamentales

Les quatre interactions fondamentales

La physiquenucléaire

ÉTUDIER LE NOYAU ATOMIQUEET SES COMPOSANTS, VOILÀ EN QUOICONSISTE LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE.


L’INTERACTION FAIBLEL’interaction faible, ou force nucléaire faible,est responsable de certains phénomènes de laradioactivité (par exemple, la radioactivité bêta).Sa portée est extrêmement faible, de l’ordre dequelques centièmes de la taille d’un nucléon,mais elle régit les réactions thermonucléairesqui permettent au Soleil et aux étoiles de pro-duire de l’énergie. Elle est environ 100000 foisplus faible que l’interaction forte.

LA GRAVITATIONLa gravitation, responsable de l’attraction desmasses, explique la pesanteur et le mouvementdes corps célestes. Elle varie avec la distancesuivant la même loi que la force électroma-gnétique. C’est de très loin la force la plus faibledes quatre: 10-40 fois plus faible que la forceélectromagnétique! Pourtant c’est celle quenous ressentons le plus: quand on tombe dehaut, on se fait mal! Car la masse qui nousattire est gigantesque, c’est celle de la Terre.Mais, si parfois on se casse une jambe, on nese casse jamais un atome, encore moins unnoyau…

> LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES 1514

La gravitation, plutôt faible comparée à d’autres forces, est pourtant celle que nous ressentons le plus.

“La gravitation varieavec la distance. Quand on tombe dehaut, on se fait mal !”

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> LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE


> LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE 1716

UNE BRÈVE DESCRIPTION DU NOYAUUn atome est donc une sorte de système solaireen miniature: des mini-planètes, les électrons,tournent autour d’un mini-soleil, le noyau. Laphysique nucléaire, c’est l’étude du noyau atomique et de la force énorme – l’interactionforte – qui lie ses constituants, les nucléons(protons et neutrons).Le noyau est un objet extrêmement dense,complexe et petit. Il est comme une poupéerusse qui contient des poupées de plus enplus petites, des poupées gigognes : le noyaucontient des nucléons, qui renferment chacuntrois quarks. Il y a deux sortes de nucléons: lesprotons, chargés positivement et les neutronsqui sont neutres.Dans ce minuscule volume, non seulementles protons se repoussent très fortement car ils sont porteurs de charges électriquesde même signe, mais protons et neutronsdansent un vertigineux ballet à plus de30000 km/s (plus d’un dixième de la vitessede la lumière, soit le tour de la Terre en1,34 seconde) ! Pourtant, le noyau ne s’épar-pille pas en gerbes de nucléons et garde sacohésion. En son sein, une force colossaleprovoque une attraction entre nucléonsbien supérieure à la force électrique quisépare les protons. Cette force nucléaire ouinteraction forte qui maintient la cohésiondes noyaux est la plus puissante des quatreinteractions ou forces fondamentales de lanature.

LA MICROCHIRURGIE DU NOYAUC’est l’étude du noyau en tant que collectionde nucléons qui bougent et s’attirent, celledes mécanismes intimes de leur attraction et de l’influence des quarks sur leurs propriétéset leur comportement. Pour cela, on sonde lesnoyaux avec un véritable microscalpel adaptéà leurs dimensions. On utilise un faisceau departicules accélérées (voir encadré page 18)qui permet de regarder quelle est la propor-tion des particules déviées ou absorbées. Ilpermet aussi de voir comment réagissent les

“Au cœur de l’atome, protons et neutrons “dansent” à plus de 30 000 km/s.Pourtant, grâce à la force nucléaire, ils ne s’éparpillent pas.”

Accélérateur de particulesdu CERN, en Suisse.

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FERMIONSLa matièreordinaire estcomposée departiculesde ce groupe.Pour la plupart,ces particulesétaient présentesjuste aprèsle "Big Bang".Aujourd'huion ne les trouveque dans lesrayons cosmiqueset auprès desaccélérateurs.

Peuvent se déplacer librement. Prisonniers de particules plus grandes,ils ne sont pas observés individuellement.

BOSONSVECTEURSParticulesfondamentalesqui assurent la transmission desforces de la nature.

Responsables de la “brisure de symétrie électro-faible”.

ÉLECTRONResponsable del'électricité et desréactions chimiques. Sa charge est de - 1.

MUONUn compagnon plus massif de l'électron.

TAUEncore plus lourd.

NEUTRINO ÉLECTRONSans charge électriqueet interagissanttrès rarement avecle milieu environnant.

NEUTRINO MUONPropriétés similaires à celles du neutrinoélectron.

NEUTRINO TAUPropriétés similaires à celles du neutrino électron.

BAS dSa chargeélectrique est de - 1/3.Le proton en contientun, le neutron deux.

ÉTRANGE sUn compagnon pluslourd du "bas".

BEAUTÉ bEncore plus lourd.

HAUT uSa charge électrique est de + 2/3. Le proton en contient deux, le neutron un.

CHARME cUn compagnon pluslourd que "haut".

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LEPTONS QUARKS

DEUX

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MIL

LETR

OISI

ÈME

FAM

ILLE

PHOTONGrain élémentaire de lalumière, porteur de laforce électromagnétique.

GLUONPorteur de la forceforte entre quarks.

W-, W+, Z0Porteurs de la force faible,responsables de certainesformes de désintégrationradioactive.

GRAVITONSupposé véhiculer la force de gravité.

BOSONS DE HIGGS?

ATOME

NOYAU

ÉLECTRON PROTON

NEUTRON

QUARKS

Caractéristiques des particules élémentaires

> LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE


19


> LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE18

noyaux : éjection de nucléons, productiond’autres particules, etc. On arrive à faire desobservations extraordinaires : voir la différenceentre la taille d’un proton isolé et celle d’unproton plongé dans son noyau ou encoremesurer l’influence de la rotation des quarkssur celle du nucléon qui les contient, c’est-à-dire déterminer comment trois petites toupies

qui tournent perpétuellement en baignantdans une sorte de glu et enfermées dans unetoupie mille fois plus grande (et pourtant siminuscule elle-même) peuvent entraîner partiellement sa rotation…

LA FOURNAISE NUCLÉAIREC’est l’étude “globale” du noyau en tantqu’échantillon de cette matière nucléaire trèsdense dont on connaît assez mal les propriétés.Pour en savoir plus, on l’étudie dans des condi-tions extrêmes, identiques à celles qui régnaientaux premiers instants de l’Univers. C’est doncune véritable remontée dans le temps.La méthode consiste à précipiter les uns surles autres des paquets de noyaux qu’on accé-lère jusqu’à des vitesses proches de celle dela lumière.Les chocs sont d’une violence inouïe. La pâtenucléaire se retrouve dans des états extrêmesde température, de pression, de déformation,d’instabilité. Les noyaux se fondent les unsdans les autres, forment de nouveaux noyauxdont la plupart n’existent pas sur Terre, sefissurent, et au-dessus d’une certaine tempé-rature éclatent, se vaporisent littéralement enune gerbe de nucléons. C’est une fantastiqueaubaine pour les physiciens car cette tem-pérature n’est autre que celle en dessous delaquelle les noyaux ont pu se former lors durefroidissement de la purée primordiale issuedu “Big Bang”. Ils peuvent ainsi la mesurer 15 milliards d’années plus tard.

“Pour étudier les atomes, certains effectuent une remontée dans le temps, en recréant des conditions extrêmesproches des premiers instants de l’Univers.”

En réalité, on ne voit pas lesnoyaux.On ne peut que déterminer leur taille, leur forme, en lesbombardant avec des faisceaux de particules accélérées. On regarde ensuite comment ces particules rebondissent ou sont absorbées et comment réagitle noyau.Ce processus n’est pas si différentde celui de la vision. Les objetsrenvoient à notre œil la lumièredont on les éclaire, en enabsorbant parfois une partie. On voit aussi leur taille, leurcouleur, etc. Or, la lumière, c’est à la fois une collection de grains lumineux,les photons, et une vibration, uneonde, tout comme la houle en mer.Cette onde transporte d’autant plusd’énergie qu’elle vibre plus vite,autrement dit, que ses ondulationssont plus serrées. La distance entredeux crêtes successives s’appelle la longueur d’onde. Plus petite est la longueur d’onde, plus l’ondeest énergétique. Et plus elle permetde voir fin. Pour la lumière visible,la longueur d’onde va de 0,4 à

0,8 micromètre (millionième de mètre). À peu près, la taille d’un microbe. C’est justement le genre d’objet que l’on peutobserver au microscope optique,mais si on veut voir plus petit,celui-ci ne suffit plus. Pour voir des atomes, il faut un microscopeélectronique dans lequel unfaisceau d’électrons accélérés joue le rôle de la lumière, car il se conduit comme une onde, maisune onde dont la longueur d’ondeest de l’ordre d’une fraction denanomètre (milliardième de mètre).C’est environ le diamètre d’unatome (soit 10000 fois plus petitque celui d’un microbe) que permetde voir le microscope électroniquedont “l’onde” électronique est 10000 fois plus énergétique que la lumière visible.Pour “voir” un noyau, il faut encoregagner au moins un facteur100000 en finesse d’observationet donc disposer d’un faisceau au moins 100000 fois plusénergétique que celui du microscopeélectronique le plus puissant. C’est possible grâce auxaccélérateurs de particules.

Le CERN de Genève, en partenariatavec le CEA, accueillera bientôt le “Large Hadron Collider” - LHC. Cet accélérateur de particules,le plus grand du monde, sera munide 400 aimants quadripolaires qui focaliseront les faisceaux de protons, afin de produire des collisions à une énergie de 14 TeV (soit 14000 milliardsd’électrons volts). L’un des objectifs est de révéler le boson de Higgs.

PLUS LOIN AVEC SPIRALSpiral est un équipement, implanté à Caen, au Ganil(Grand accélérateur national d’ions lourds),permettant de produire et d’accélérer des noyauxlégers et moyennement lourds, appelés noyauxexotiques, qui n’existent pas sur Terre. Leur étudeest essentielle dans de nombreux domaines de laphysique nucléaire, mais aussi de l’astrophysique,notamment pour comprendre la formation des noyauxdes atomes au sein des étoiles et des supernovae.

Si les physiciens savent déjà synthétiser des noyauxexotiques en laboratoire, l’installation Spiral vapermettre, pour la première fois, d’en produire engrande quantité, de les accélérer, d’observer leurscollisions avec d’autres noyaux, et ainsi deconnaître leur structure. Comparativement aux autresinstallations existantes, Spiral permet en outred’étendre de manière considérable l’éventail deséléments exotiques produits et le domaine d’énergieaccessible.

En septembre 2001, Spiral a produit son premierfaisceau d’un noyau exotique: le Néon 18. Grâce àl’observation des collisions de ce faisceau sur unecible d’hydrogène solide, Spiral a permis de dévoilerla structure du sodium 19, noyau inconnu sur Terre,notamment pour comprendre certaines réactionsthermonucléaires par lesquelles sont créés leséléments dans l’Univers.

COMMENT “VOIR” DES NOYAUX ET DES PARTICULES?

En haut à gauche: un aimantquadripole pour le LHC.En haut à droite: le microscopeanalytique SIMS permet d’accéderà la localisation desradionucléides émetteurs de rayonnements faibles. Il fonctionne selon le principe d’un microscope à balayageélectronique et remplace le faisceau d’électrons primairespar un faisceau d’ions permettantl’analyse élémentaire de surfaces solides.

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L’atome · atome est appelé par le nom de son élément chimique suivi du nombre total de ses nucléons: carbone 12, carbone 13 et carbone 14. Les propriétés chimiques d’un