10 : Physique nucléaire

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Dans ce chapitre, nous étudions la composition et les propriétés du noyau atomique. Le noyau se trouve au centre d'un atome et est composé de protons et de neutrons. Une compréhension approfondie du noyau conduit à de nombreuses technologies précieuses, notamment des dispositifs permettant de dater des roches anciennes, de cartographier les bras galactiques de la Voie lactée et de générer de l'énergie électrique.

10.1 : Prélude à la physique nucléaire
Le soleil est la principale source d'énergie du système solaire. Le Soleil mesure 109 diamètres de la Terre et représente plus de 99 % 99 % de la masse totale du système solaire. Le Soleil brille en fusionnant des noyaux d'hydrogène (des protons) au plus profond de son intérieur. Une fois ce combustible épuisé, le Soleil brûle de l'hélium et, plus tard, d'autres noyaux. La fusion nucléaire dans le Soleil est abordée à la fin de ce chapitre. Dans l'intervalle, nous étudierons les propriétés nucléaires qui régissent tous les processus nucléaires, y compris la fusion.
10.2 : Propriétés des noyaux
Le noyau atomique est composé de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons ont à peu près la même masse, mais les protons transportent une unité de charge positive et les neutrons n'en portent aucune. Ces particules sont regroupées dans un espace extrêmement petit au centre d'un atome. Selon les expériences de diffusion, le noyau est de forme sphérique ou ellipsoïdale et mesure environ 1/100 000e de la taille d'un atome d'hydrogène. Les protons et les neutrons du noyau sont appelés nucléons.
10.3 : Énergie nucléaire contraignante
Le défaut de masse d'un noyau est la différence entre la masse totale d'un noyau et la somme des masses de tous ses nucléons constitutifs. L'énergie de liaison (BE) d'un noyau est égale à la quantité d'énergie libérée lors de la formation du noyau, ou au défaut de masse multiplié par la vitesse de la lumière au carré. Un graphique de l'énergie de liaison par nucléon (BEN) par rapport au numéro atomique A indique que les noyaux divisés ou combinés libèrent une énorme quantité d'énergie.
10.4 : Désintégration radioactive
Lors de la désintégration d'une substance radioactive, si la constante de désintégration\((\lambda)\) est élevée, la demi-vie est faible, et vice versa. La loi de désintégration radioactive utilise les propriétés des substances radioactives pour estimer l'âge d'une substance.\(N = N_0 e^{-\lambda t}\) Le carbone radioactif possède la même composition chimique que le carbone stable, de sorte qu'il se mélange à l'écosphère et finit par faire partie de tous les organismes vivants.
10.5 : Réactions nucléaires
Les premières expériences ont révélé trois types de « rayons » ou de rayonnements nucléaires : les rayons alpha (α), les rayons bêta (β) et les rayons gamma (γ). Ces trois types de rayonnements se différencient par leur capacité à pénétrer dans la matière. Le rayonnement alpha peut à peine traverser une fine feuille de papier. Le rayonnement bêta peut pénétrer dans l'aluminium jusqu'à une profondeur d'environ 3 mm, et le rayonnement gamma peut pénétrer dans le plomb jusqu'à une profondeur de 2 centimètres ou plus.
10.6 : Fission
La scission d'un noyau s'appelle la fission. Les changements d'énergie dans une réaction de fission nucléaire peuvent être compris en termes de courbe d'énergie de liaison par nucléon. La fission de l'U-235 peut produire une réaction en chaîne. Dans un composé composé de nombreux noyaux d'U-235, les neutrons issus de la désintégration d'un noyau U-235 peuvent initier la fission de noyaux d'U-235 supplémentaires. Cette réaction en chaîne peut se dérouler de manière contrôlée, comme dans un réacteur nucléaire d'une centrale, ou de manière incontrôlable, comme lors d'une explosion.
10.7 : Fusion nucléaire
La fusion nucléaire est une réaction dans laquelle deux noyaux sont combinés pour former un noyau plus gros ; de l'énergie est libérée lorsque des noyaux légers sont fusionnés pour former des noyaux de masse moyenne. La quantité d'énergie libérée par une réaction de fusion est connue sous le nom de valeur Q. La fusion nucléaire explique la réaction entre le deutérium et le tritium qui produit une bombe à fusion (ou à hydrogène) ; la fusion explique également la production d'énergie dans le Soleil, le processus de nucléosynthèse et la création des éléments lourds.
10.8 : Applications médicales et effets biologiques des rayonnements nucléaires
Les composés radioactifs sont utilisés pour identifier le cancer, étudier des artefacts anciens et alimenter nos villes en électricité. La fusion nucléaire alimente également le Soleil, la principale source d'énergie de la Terre. Le présent chapitre porte sur les radiations nucléaires. Dans cette section, nous posons des questions telles que : Comment le rayonnement nucléaire est-il utilisé au profit de la société ? Quels sont ses risques pour la santé ? À quelle quantité de rayonnement nucléaire une personne moyenne est-elle exposée au cours de sa vie ?
10.A : Physique nucléaire (réponses)
10.E : Physique nucléaire (exercices)
10.S : Physique nucléaire (résumé)

Vignette : Lors d'une réaction en chaîne de fission en U-235, la fission du noyau d'uranium produit des neutrons de haute énergie qui fragmentent un plus grand nombre de noyaux. L'énergie libérée lors de ce processus peut être utilisée pour produire de l'électricité.