Noyau atomique
Le noyau atomique est la région située au centre d'un atome, constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (de l'ordre du femtomètre, soit Modèle:Unité) est environ Modèle:Unité plus petite que celle de l'atome (Modèle:Unité) et concentre quasiment toute sa masse. Les forces nucléaires qui s'exercent entre les nucléons sont à peu près un million de fois plus grandes que les forces entre les atomes ou les molécules.
Les noyaux instables, dits radioactifs, sont ceux d'où s'échappent des neutrons. Ils peuvent aussi être sujets à transmutation, soit spontanée soit provoquée par l'arrivée de particules supplémentaires ou de rayonnement électromagnétique.
Notation
Les noyaux atomiques sont représentés par un symbole : Modèle:Nucléide, composé de :
- son symbole chimique Modèle:Serif (H, He, Li, etc.) ;
- son nombre de masse Modèle:Mvar (égal au nombre de nucléons de l'atome, soit protons + neutrons), placé en haut et à gauche du symbole chimique ;
- son numéro atomique Modèle:Mvar (égal au nombre de protons), placé en bas et à gauche du symbole chimique ; ce dernier est souvent omis car il est implicitement défini par le symbole chimique.
Caractéristiques physiques
L'atome a une structure lacunaire, c’est-à-dire qu'il est constitué essentiellement de vide quantique puisque son volume est très supérieur au volume cumulé des électrons et du noyau qui le constituent.
Composition et structure
Le noyau d'un atome est composé de particules appelées nucléons — des protons chargés positivement, et des neutrons électriquement neutres — fortement liées entre elles ; l'hydrogène 1H (protium) fait exception, car son noyau n'est formé que d'un proton seul, sans neutron. La cohésion du noyau est assurée par l'interaction forte, qui maintient les nucléons ensemble et les empêche de s'éloigner les uns des autres, contrecarrant notamment la répulsion électrostatique entre les protons.
Pour modéliser cette attraction entre les nucléons, on peut définir une énergie de liaison nucléaire pouvant être calculée à partir de la formule de Bethe-Weizsäcker.
Deux modèles nucléaires peuvent être utilisés pour étudier les propriétés du noyau atomique :
Isotopes
Les isotopes sont des atomes ayant le même nombre de protons (même numéro atomique Z) mais un nombre différent de neutrons, d'où un nombre de masse A différent.
Le numéro atomique Z est ce qui caractérise un élément chimique. Il correspond au nombre de protons dans le noyau atomique, égal au nombre d'électrons dans l'atome, puisque ce dernier est électriquement neutre par définition — un atome électriquement non neutre est appelé ion.
Pour un même élément, il existe dans le milieu naturel différents nucléides possédant des nombres de neutrons différents. Ces noyaux sont appelés isotopes de l'élément ayant un numéro atomique donné. Le nombre de masse A d'un atome est le nombre total de nucléons (protons et neutrons) qui composent un noyau. Le nombre de neutrons N est égal à la différence entre nombre de masse et numéro atomique, doit Modèle:Nobr.
Un nucléide X est donc un noyau caractérisé par son nombre de masse A et son numéro atomique Z ; il est noté Modèle:Nucléide (lire Modèle:Nobr, le numéro atomique étant implicite).
Par exemple, le protium Modèle:Nucléide, le deutérium Modèle:Nucléide et le tritium Modèle:Nucléide sont trois isotopes de l'hydrogène.
En pratique, le numéro atomique Z est généralement omis car redondant avec le symbole chimique, pour ne conserver que la notation Modèle:Nucléide. Ainsi, si on reprend l’exemple cité ci-dessus, l’hydrogène ordinaire (protium), le deutérium, et le tritium sont le plus souvent notés : Modèle:Nucléide, Modèle:Nucléide et Modèle:Nucléide.
Différents isotopes d'un même élément possèdent des propriétés chimiques similaires, car elles dépendent essentiellement de son nombre d'électrons. Cependant, leur masse atomique distincte permet de les séparer à l'aide d'une centrifugeuse ou d'un spectromètre de masse.
Les isotopes se différencient également par leur stabilité et leur demi-vie (ou période radioactive) : les isotopes déficitaires ou excédentaires en neutrons sont souvent plus instables, et donc radioactifs. Par exemple, le Modèle:Nobr (le plus courant) et le Modèle:Nobr sont parfaitement stables, alors que sont radioactifs les isotopes de carbone « plus lourds » que le Modèle:Nucléide (comme le Modèle:Nobr, avec une demi-vie de Modèle:Unité) ou « plus légers » que le Modèle:Nucléide (comme le Modèle:Nobr, avec une demi-vie de Modèle:Unité)<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Table des isotopes du carbone sur environmentalchemistry.com, et qui indique, entre autres, la stabilité (ou l’instabilité) de ces isotopes. En particulier voir la colonne « Half Life », laquelle indique la demi-vie de l’isotope, sauf s’il s’agit d’un isotope stable. Consultée le 6 février 2011.</ref>. À noter qu’il existe également des éléments pour lesquels tous les isotopes sont instables, comme le technétium ou le prométhium, ainsi que tous les éléments synthétiques.
Isomères
Les isomères nucléaires sont des atomes ayant des nombres identiques de protons et de neutrons (et qui donc appartiennent à un même isotope) mais qui présentent des états énergétiques différents. Ceci est en général le résultat d’une organisation différente des nucléons au sein du noyau. L’état qui présente la plus faible énergie est nommé état fondamental, et tout état de plus haute énergie est nommé état excité.
Lorsque la distinction est nécessaire, les isomères autres que l’état fondamental sont identifiés par la lettre « m » rajoutée après le nombre de masse et éventuellement suivie d’un nombre s’il existe plusieurs états excités pour l’isotope en question. Ainsi, l’Modèle:Nobr possède deux isomères notés Modèle:Nucléide pour l’état fondamental et Modèle:Nucléide pour l’état excité. Autre exemple, le Modèle:Nobr possède pas moins de sept isomères, qui sont notés (en allant de l’état fondamental à l’état excité de plus haute énergie) : Modèle:Nucléide, Modèle:Nucléide, Modèle:Nucléide, Modèle:Nucléide, Modèle:Nucléide, Modèle:Nucléide, et enfin Modèle:Nucléide.
En général les états excités sont très instables, et subissent rapidement une transition isomérique qui les amène vers l’état fondamental (ou un état excité moins énergétique) et pendant laquelle le surplus d’énergie est évacué sous forme de photon. Il existe cependant des exceptions, et certains états excités de certains isotopes peuvent avoir une demi-vie plus importante que l’état fondamental correspondant (comme le Modèle:Nobr ou l’Modèle:Nobr).
Masse atomique
La masse atomique isotopique d'un élément est la masse correspondant à Modèle:Math nucléides de ce même isotope, NA étant le nombre d'Avogadro (environ 6,022 04Modèle:X10).
Définition : la masse de NA atomes de carbone 12 est exactement Modèle:Unité.
La masse atomique d'un élément chimique est la moyenne pondérée des masses atomiques de ses isotopes naturels ; certains éléments chimiques possèdent des isotopes radioactifs à très longue période, et par conséquent leur composition isotopique naturelle, ainsi que leur masse atomique, évolue sur de longues périodes de temps, telles que les ères géologiques. C'est notamment le cas pour l'uranium.
Stabilité
Énergie de liaison
Certains noyaux sont stables, c'est-à-dire que leur énergie de liaison est suffisante, rendant alors leur durée de vie illimitée. D'autres sont instables et tendent à se transformer spontanément en un noyau plus stable par émission d'un rayonnement. Cette instabilité est due au grand nombre de nucléons, qui fait diminuer l'énergie unitaire de chaque liaison dans le noyau, le rendant moins cohérent. La transformation (spontanée) par radioactivité se traduit toujours par une augmentation de l'énergie de liaison moyenne des nucléons concernés.
On distingue trois types de radioactivité, selon le type de particule émise :
- Radioactivité α s'il émet des nucléons sous forme de particules α (noyaux Modèle:Nucléide) ;
- Radioactivité β s'il émet un électron e− avec un antineutrino électronique Modèle:Surlignere (radioactivité β−), ou un positron e+ avec un neutrino électronique Modèle:Mvare (radioactivité β+).
Ces deux types de radioactivité sont la plupart du temps accompagnés d'un [[Rayon gamma|Modèle:Nobr]] (émission de photons).
Exemples :
- les isotopes d'uranium Modèle:Nucléide et Modèle:Nucléide ont des demi-vies supérieures à ceux de leur « famille » respective avant de mener aux isotopes stables du plomb ;
- l'azote 16 (16 nucléons, 7 protons, 9 neutrons) se transforme en Modèle:Nobr (16 nucléons, 8 protons, 8 neutrons) quelques secondes après sa création par radioactivité bêta : l'interaction faible transforme l'un des neutrons du noyau en un proton et un électron, modifiant ainsi le numéro atomique de l'atome.
Nombre de nucléons
La stabilité d'un noyau atomique dépend de la nature et du nombre de nucléons qui le composent.
Il a été constaté une plus grande fréquence de noyaux stables (152) s'ils sont composés d'un nombre de protons ( Z ) et de neutrons ( N ) pairs. Ce nombre passe à 55 pour Z pair et N impair et à 52 pour Z impair et N pair. Il n'existe que quelques noyaux stables dont le nombre de protons et le nombre de neutrons sont impairs.
Il existe également des nombres magiques (nombre de protons et/ou nombre de neutrons) pour lesquels l'abondance naturelle d'isotopes stables est plus grande : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. C'est le cas par exemple du noyau d'hélium, doublement magique, correspondant à la particule alpha émise par certains noyaux.
Demi-vie
La demi-vie d'un isotope est la période au bout de laquelle, statistiquement, la moitié des atomes d'un échantillon initial se seront désintégrés. Les noyaux peuvent posséder des demi-vies très différentes couvrant en fait toute la plage des durées.
Un noyau est considéré comme étant un élément (par opposition à une résonance) lorsque son temps de vie est assez long pour qu'un cortège électronique ait le temps de se former (soit ~10-15 s).
| intervalle de durée | Isotope | Demi-vie |
|---|---|---|
| <1 seconde | Hydrogène 7 | Modèle:Unité<ref>Modèle:Article.</ref> |
| De 1 seconde à 1 minute | Azote 16 | 7,13 s |
| Fluor 20 | 11,163 s | |
| De 1 minute à 1 heure | Oxygène 15 | 2,037 min |
| Carbone 11 | 20,38 min | |
| De 1 heure à 1 jour | Fluor 18 | 1,8293 h |
| De 1 jour à 1 an | Radium 224 | 3,62 j |
| Radon 222 | 3,8235 j | |
| De l'année au millénaire | Sodium 22 | 2,605 ans |
| Cobalt 60 | 5,272 ans | |
| Tritium (Hydrogène 3) | 12,329 ans | |
| Strontium 90 | 28,78 ans | |
| Césium 137 | 30,254 ans | |
| Du millénaire au million d'années | Radium 226 | 1602 ans |
| Carbone 14 | 5730 ans | |
| Chlore 36 | 301 000 ans | |
| Aluminium 26 | 717 000 ans | |
| Du million d'années au milliard d'années | Plutonium 244 | 80,8Modèle:X10 ans |
| Uranium 235 | 704Modèle:X10 ans | |
| Du milliard (109) au millier de milliards (1012) d'années | Potassium 40 | 1,28Modèle:X10 ans |
| Uranium 238 | 4,468Modèle:X10 ans | |
| Thorium 232 | 14,05 Modèle:X10 ans | |
| Samarium 147 | 106Modèle:X10 ans | |
| Du millier de milliards (1012) au million de milliards (1015) d'années | Osmium 184 | 56Modèle:X10 ans |
| Indium 115 | 441Modèle:X10 ans | |
| Du million de milliards (1015) au milliard de milliards (1018) d'années | Vanadium 50 | 140Modèle:X10 ans |
| Au-delà du milliard de milliards d'années (> 1018 ans) | Calcium 48 | > 6Modèle:X10 ans |
| Molybdène 100 | 7,8Modèle:X10 ans | |
| Bismuth 209 | (19 ± 2)Modèle:X10 ans | |
| Zirconium 96 | >20Modèle:X10 ans | |
| Tellure 130 | 790Modèle:X10 ans | |
| Xénon 124 | 1,8Modèle:X10ans<ref name = "XENON">Modèle:Article.</ref> | |
| Au-delà du million de milliards de milliards d'années (> 1024 ans) | Tellure 128 | 2,2Modèle:X10 ans |
Noyau stable
En fait, les noyaux dits stables ne le sont que dans la mesure où leur durée de vie avoisine celle du proton, seul baryon (méta?)stable. Le proton aurait, selon la théorie, une demi-vie d'environ 1033 ans, mais les expériences menées pour mesurer cette désintégration du proton, véritable pierre angulaire de la matière, n'ont pas vérifié cette prédiction : le proton serait plus stable que prévu<ref>Modèle:Monde subatomique.</ref>.
Taille et forme
Le rayon d'un nucléon est de l'ordre de Modèle:Unité, soit Modèle:Unité/2 (femtomètre), le terme de rayon s'entendant ici au sens d'avoir une probabilité significative de détecter le nucléon dans le volume d'espace considéré. En première approximation, on considère généralement que le rayon Modèle:Mvar d'un noyau de nombre de masse A vaut (modèle de la goutte liquide) Modèle:Nobr, avec Modèle:Nobr. Lorsque A est petit, notamment inférieur à 16, Modèle:Mvaro peut valoir Modèle:Unité/2.
Cela représente moins de 0,01 % du rayon total de l'atome. La masse volumique du noyau est donc considérablement plus grande que celle de l'atome lui-même. Elle est à peu près constante pour tous les noyaux dans leur état fondamental (non excité) : environ Modèle:Unité de tonnes au [[Centimètre cube|cmModèle:3]] (Modèle:Unité), masse volumique du fluide nucléaire.
La taille et la forme réelles d'un noyau spécifique dépendent fortement du nombre de nucléons qui le composent, ainsi que de leur état énergétique. Les noyaux les plus stables ont en général une forme sphérique au repos et peuvent prendre, par exemple, la forme d'un ellipsoïde s'ils sont excités. Des formes assez étranges peuvent être observées selon les états d'excitation, en poire, en soucoupe, voire en cacahuète.
Dans le cas des noyaux à halo, quelques nucléons peuvent avoir des fonctions d'onde nettement distendues, entourant donc d'un halo le noyau plus compact formé par les autres nucléons. Le Modèle:Nobr semble par exemple composé d'un noyau de Modèle:Nobr entouré d'un halo de deux neutrons ; sa taille est alors proche de celle du plomb 208, qui possède 20 fois plus de nucléons.
Le noyau stable le plus lourd est constitué de Modèle:Unité et Modèle:Unité : il s'agit du plomb 208. Les éléments plus lourds sont tous instables. Jusqu'à l'uranium inclus, ils sont tous présents naturellement sur Terre<ref group=alpha>En revanche, deux éléments plus légers que l'uranium ne sont pas présents naturellement : la technétium et le prométhium. Comme les éléments transuraniens, ils ont été synthétisés en laboratoire.</ref>, les éléments de numéro atomique plus grand que l'uranium ou présents à l'état de trace peuvent être synthétisés en laboratoire. L'élément le plus lourd connu en 2021 comptait Modèle:Unité : il s'agit de l'oganesson.
Notes et références
Notes
Références
Voir aussi
Articles connexes
