Noyau atomique

Découverte de la structure atomique

La découverte de la structure atomique de la matière a été l'une des plus grandes réussites de la physique au XXe siècle, la célèbre expérience de la feuille d'or réalisée par Ernest Rutherford dans les années \( 1910 \) ayant confirmé l'existence du noyau atomique. L'expérience de Rutherford consistait à envoyer des particules alpha chargées positivement sur des atomes et à mesurer l'angle de déviation. Dans un premier temps, les résultats obtenus les ont déconcertés et étaient en totale contradiction avec le modèle du "Plum Pudding" en vogue à l'époque.

Rutherford a fini par comprendre que ces résultats ne pouvaient être obtenus que s'il existait une région extrêmement dense et chargée positivement au cœur de l'atome.

Fig.1- Structure d'un atome.

Qu'est-ce que le noyau atomique ?

Comme l'a découvert Ernest Rutherford, les atomes sont composés d'électrons chargés négativement en orbite autour d'une région très dense de charge positive. Cette région de charge est appelée noyau atomique et contient plus de \( 99,9 \% \) de la masse de l'atome.

Le noyau étant chargé positivement, il produit une force électrostatique qui attire les électrons chargés négativement et les maintient liés à l'intérieur de l'atome. De nombreuses propriétés du noyau déterminent les propriétés de l'atome dans son ensemble. Par exemple, la taille, la stabilité et la radioactivité d'un atome sont essentiellement déterminées par le noyau.

Que sont les nucléons ?

Il existe deux types de nucléons, les protons et les neutrons ; les principales propriétés de ces particules subatomiques sont énumérées dans le tableau ci-dessous.

Protons

Comme on peut l'observer, les protons sont la source de la charge positive du noyau, chaque proton présentant une charge égale, mais opposée à celle d'un électron. Par conséquent, dans les atomes neutres, le nombre de protons dans le noyau est toujours égal au nombre d'électrons en orbite autour de l'atome. Tu te demandes peut-être comment un noyau peut rester stable, étant donné qu'il est constitué de protons chargés positivement et entassés les uns sur les autres. Ces protons exercent les uns sur les autres des forces électrostatiques répulsives.

Comment le noyau ne vole-t-il pas en éclats sous l'effet de cette force ?

Neutrons

Il s'avère qu'une deuxième force fondamentale intervient, appelée force forte. Cette force agit entre les protons et les neutrons, les maintenant liés les uns aux autres. Cette force est la plus puissante de toutes les forces fondamentales, environ \( 100 \) fois plus forte que la force électromagnétique qui pousse les protons à s'écarter les uns des autres, de sorte que les noyaux peuvent rester densément emballés. Cela explique le rôle des neutrons dans le noyau : en tant que particules sans charge, ils n'affectent pas la répulsion électrostatique entre les protons ; cependant, ils augmentent la force d'attraction de la force forte entre les nucléons.

Cet équilibre entre la répulsion électrostatique entre les protons et la force d'attraction forte entre les protons et les neutrons détermine la stabilité d'un noyau.

Numéro atomique et nombre de masse

Les atomes sont caractérisés par le nombre de protons et de neutrons dans leur noyau de la manière suivante.

• Le numéro atomique \( Z \) détermine l'élément auquel appartient un atome et est égal au nombre de protons dans le noyau.
• Le nombre de masse \( A \) donne le nombre total de nucléons, c'est-à-dire de protons et de neutrons, dans le noyau.

Il est généralement exprimé comme suit

$^{A} _{Z} X$

où

\( X \) est le symbole de l'élément.

Isotopes

Les atomes d'un même élément ayant le même numéro atomique, mais un nombre de masse différent sont appelés isotopes.

Les neutrons étant sans charge, les différents isotopes présentent des propriétés chimiques équivalentes. Toutefois, les différents isotopes peuvent présenter des propriétés radioactives différentes selon que le rapport entre les protons et les neutrons est stable ou non. Par exemple, le carbone-12 est totalement stable, mais le carbone-14 \( ^{14} _{6} C \) est un noyau radioactif.

Taille et structure des noyaux atomiques

Un noyau atomique est un objet extrêmement dense, des dizaines de milliers de fois plus petit que l'atome lui-même. Là encore, la taille du noyau est déterminée par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient, non seulement parce que les protons et les neutrons présentent un volume non nul, mais aussi en raison de l'équilibre entre la répulsion électrostatique et l'attraction de la force forte. Les noyaux instables riches en protons seront particulièrement gros, car la répulsion électrostatique éloigne les protons les uns des autres. Cela peut conduire à des formes inhabituelles pour les gros noyaux, semblables à celle d'un ballon de football américain.

Le rayon d'un noyau peut varier d'environ \( 1.6\times10^{-15}\,\mathrm{m} \) pour le noyau d'hydrogène à un proton, à environ \( 15\times10^{-15}\,\mathrm{m} \) pour les gros noyaux tels que l'uranium. En comparaison, le rayon d'un atome entier, y compris les électrons en orbite, est généralement de l'ordre de \( 1\times10^{-10}\,\mathrm{m} \) .

Étant donné que les électrons eux-mêmes sont trop petits pour présenter un rayon significatif, cela montre que l'atome est presque entièrement composé d'espace vide. Toutefois, comme nous pourrons l'observer en étudiant le nuage d'électrons, la mécanique quantique nous montre qu'en réalité, les électrons sont "étalés" dans l'espace vide et que nous ne pouvons pas vraiment les considérer comme des particules de taille fixe.

Masse atomique

Les scientifiques avaient besoin d'un moyen plus efficace pour mesurer la masse d'un atome. Ils ont décidé d'utiliser la masse d'un atome de carbone \( 12 \) comme base pour mesurer les masses de tous les autres atomes. Ils ont défini la masse atomique relative de l'atome de carbone \( 12 \) comme étant de \( 12 \) et ont tout calculé à partir de là. C'est ce qu'on appelle l'étalon carbone \( 12 \) .

Lorsque nous parlons de masse atomique relative, nous entendons la masse d'un atome ou d'une molécule comparée à celle d'un atome de carbone \( 12 \) .

Isomères : Isomérie nucléaire

Il existe des noyaux qui présentent les mêmes numéros atomiques et de masse (même Z et même A) mais qui diffèrent les uns des autres par l'état énergétique de leur noyau et qui présentent des différences dans leur structure interne.

On les appelle des isomères nucléaires.

L'existence d'isomères nucléaires est appelée isomérie nucléaire.

L'isomérie nucléaire est due aux particularités structurelles des noyaux atomiques. Les états isomériques se forment dans les cas où le passage du noyau d'un état de plus haute énergie à un état de plus basse énergie par l'émission d'un photon \( \gamma \) est difficile. Ceci est le plus souvent associé à une grande différence dans les valeurs des spins S des noyaux dans ces états.