Le noyau de l'atome d'hydrogène se réduit à une particule unique, porteuse d'une charge électrique positive : le proton. La valeur de cette charge (appelée e) est 1,6 dix milliardième de milliardième de Coulomb, l'unité standard de charge électrique. Cette charge si infime est considérée comme élémentaire, car on ne connaît pas de corpuscules (hormis les quarks) possédant des charges plus petites et toutes les charges observées dans les atomes et les molécules en sont un multiple entier, positif ou négatif.

La charge du proton a exactement la même valeur que celle d'un électron, mais avec un signe opposé, ce qui assure la neutralité électrique des atomes. Les noyaux contiennent un certain nombre de protons, appelé conventionnellement Z. Leur charge électrique est un multiple, Ze, de la charge e du proton.

Le proton n'est pas une particule élémentaire. Si on l'assimile à une petite sphère, la mesure de son rayon conduit à une valeur de l'ordre de 1 fermi, un millième de milliardième de millimètre. Sa masse est 1836 fois celle de l'électron. Elle reste très petite : 1,672 milliardième de milliardième de milliardième de kilogramme.

On sait depuis les années 1970, que le proton, comme le neutron, est composé de corpuscules, appelés quarks, maintenus par des forces attractives très intenses. Les quarks sont comme l'électron des corpuscules élémentaires. Ils sont dotés d'une charge d'un type nouveau que ne possèdent pas les électrons, appelée charge forte ou charge de couleur. Les protons et neutrons, malgré les quarks en leur sein, possèdent aussi une charge forte globalement nulle (dans le langage des physiciens ils sont sans couleur'').

Un parallèle entre charge électrique et charge « forte ».

Les charges électriques permettent de former des atomes, qui sont des assemblages de noyaux et d'électrons dont les charges positives et négatives se compensent. Les atomes se groupent en molécules (également électriquement neutres) en partageant des électrons porteurs de charges électriques.

De même, les charges « fortes » assemblent des quarks pour former deux espèces de nucléons , les protons et des neutrons. A l'intérieur des nucléons, ces charges fortes se compensent si bien que leur charge forte globale est nulle. Les nucléons se groupent en assemblages, les noyaux ((*)). Dans la matière nucléaire, les nucléons sont les équivalents des atomes de la matière atomique, les noyaux sont les équivalents des molécules.

A très courte distance, au contact les uns des autres, les neutrons et les protons sont soumis de manière équivalente aux forces qui agglomèrent les nucléons pour former les noyaux. Les deux espèces de nucléons jouent un rôle semblable à l'intérieur desc noyaux. Mais les neutrons, électriquement neutres, ne subissent pas la répulsion d'origine électrique que subissent les protons du fait de leur charge éleectrique. Du fait de cette répulsion qui croit avec le nombre de protons, on observe un excédent de neutrons de plus en plus accentué quand les noyaux deviennent gros.

Dans la matière nucléaire, le neutron est stable, mais il est instable à l'état libre. En effet, le neutron est un peu plus lourd que le proton. Cet excédent de masse, donc d'énergie selon la relation d'Einstein, est suffisant pour qu'il puisse se transformer en proton en émettant un électron et un antineutrino.

Des neutrons se transforment aussi en protons à l'intérieur de certains noyaux quand ils sont trop nombreux : c'est l'origine de la radioactivité bêta.

La durée de vie moyenne du neutron à l'état libre est de l'ordre du quart d'heure. On ne trouve donc pas de neutrons libres dans notre environnement, en dehors de ceux fraîchement formés, issus du rayonnement cosmique dans la haute atmosphère ou générés par les réacteurs.

L'agent des réactions nucléaires

Le neutron étant neutre n'est pas repoussé par la charge électrique des noyaux. Il constitue un projectile de choix pour produire des réactions nucléaires, comme le remarqua Rutherford quand il suggéra en 1920 l'hypothèse « d'une sorte d'atome neutre qui ne serait pas de l'hydrogène ». Son intrusion peut rompre l'équilibre délicat des nucléons et déclencher des réactions nucléaires, dont la plus connue est la réaction de fission de l'uranium.

Des neutrons sont libérés en abondance dans le cœur des réacteurs nucléaires, à la suite de réactions de fission en chaîne. La science des flux de neutrons s'appelle la neutronique. La maîtrise de ces flux est un art dont dépendent la bonne marche et la sûreté des réacteurs.

On utilise aussi des sources de neutrons pour produire des atomes radioactifs pour des applications médicales, industrielles ou de laboratoire. Le fait que le neutron soit neutre, empêche de l'accélérer et de le guider par des champs électriques et magnétiques. Il n'existe pas d'accélérateurs de neutrons.

Spectre gamma du cobalt-60

Les états excités du Nickel-60 sont atteints lors de la désintégration bêta d’un élément radioactif très utilisé en médecine, le cobalt-60. Lors du retour à l’état fondamental, divers gamma sont émis, selon le chemin choisi par le noyau pour atteindre le repos. Certains sont plus fréquents que d’autres. Dans cet exemple, on observe dans pratiquement 100 % des retours deux gamma émis en cascade d’énergie voisine de 1 MeV . Les autres gamma jouent un rôle marginal. Ces deux gamma d’énergies caractéristiques (1.17324 et 1.33250 MeV) offrent une signature extraordinairement sensible de la désintégration du cobalt radioactif.

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Quand le noyau se trouve dans un autre état, il dispose d'un supplément d'énergie. Il retourne à l'état normal (celui de repos maximum) et se débarrasse de son énergie d'excitation en émettant un photon d'énergie caractéristique, appelé photon γ ou gamma. Ces photons sont de même nature que les photons et rayons X émis par les atomes, mais leur énergie est beaucoup plus grande : couramment de l'ordre du million d'électronvolts (MeV).

Les états d'énergie de la communauté de nucléons assemblée en noyau sont variés. Tout d'abord, on observe, comme dans l'atome, l'existence de couches. Les énergies de liaison des nucléons du noyau ne peuvent prendre qu'une suite de valeurs imposées correspondant à autant de « couches ».

Par exemple, des configurations avec 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 nucléons d'une espèce confèrent une stabilité plus grande au noyau. Il y a analogie avec la stabilité des atomes de gaz rares dont la couche externe est complète. Ces nombres sont dits « magiques ».

En plus de cette structure en couches, le noyau peut avoir des mouvements collectifs qui correspondent à de nouveaux états. Ainsi la communauté de nucléons peut entrer en vibration. Les énergies de ces vibrations ne peuvent prendre que des valeurs bien déterminées, en vertu de la mécanique quantique.

Enfin, le noyau n’est pas forcément sphérique, il peut se déformer et subir un mouvement de rotation collectif. Les énergies de ces états de rotation ne peuvent prendre qu'une série de valeurs déterminées. On dit qu'elles sont quantifiées.

Niveaux d'énergie du Nickel-60

Ce diagramme représente l’échelle des énergies d’excitation permises pour un noyau de nickel-60, résultat de la désintégration du cobalt-60. Le niveau le plus bas, appelé niveau fondamental, correspond au repos. Quand le noyau est dans un des niveaux excités (l’un des barreaux de l’échelle), il retourne immédiatement au niveau fondamental en émettant un ou plusieurs gamma d’énergies caractéristiques. Ces énergies sont obtenues en faisant la différence des énergies de départ et d’arrivée, définies très précisément. Les transitions en cascade numérotées 4 et 5 , 1000 fois plus fréquentes que les autres ont été représentées par des flèches épaisses.

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Forces Nucléaires

Trois forces en action dans le noyau et leur hiérarchie

(Les forces faibles)


Trois types de forces entrent en compétition dans le noyau. La principale est la force ou interaction nucléaire ou forte qui assure la cohésion des noyaux car est attractive. Elle est responsable aussi de la radioactivité alpha. La seconde, appelée électromagnétique, est répulsive mais moins intense. La troisième force est appelée "interaction faible". Ni attractive, ni répulsive, elle agit à l’intérieur même des nucléons. Elle transforme une espèce de nucléon (proton ou neutron) dans l’autre espèce et vice-versa, provoquant la radioactivité bêta. La stabilité ou l'instabilité d'un noyau sont le résultat de la compétition entre ces trois interactions.


Le noyau est pratiquement incompressible. En son sein, protons et neutrons sont en contact comme les molécules d'un liquide.

Deux charges électriques de même signe se repoussent. Cette répulsion varie en raison inverse de la distance selon la loi de Coulomb. Les protons (en bleu) sont soumis à cette répulsion dans le noyau, contrairement aux neutrons (en rouge) dépourvus de charge électrique qui ne subissent pas la « répulsion coulombienne ». Sans les forces nucléaires qui maîtrisent la répulsion des protons, le noyau exploserait. Il faut que ces forces soient très intenses pour arriver à confiner les protons dans un volume aussi petit que le noyau.

L'exemple du tritium, le plus simple des noyaux radioactifs, montre comment la nature à recours à transformation d'un neutron en proton, due aux « forces faibles » pour modifier le rapport entre lesdeux espèces de nucléons. Le tritium, pourrait expulser un de ses deux neutrons mais cette expulsion ne se produit pas spontanément car elle coûte de l'énergie. Par contre, la désintégration d'un neutron en proton accompagné d'un électron bêta et d'un antineutrino, libère un peu d'énergie Cela suffit pour que le tritium soit radioactif. C'est la force faible qui rend le tritium instable.

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La troisième force présente dans le noyau est une force discrète. Elle joue pourtant un rôle fondamental dans l'univers. Sans la « force faible », le soleil s'arrêterait de briller parce qu'il ne pourrait pas fusionner l'hydrogène en deutérium. En rendant possible, si le bilan énergétique le permet, de transformer un proton en neutron ou inversement, la force faible dépeuple les coteaux de la vallée de stabilité et rassemble tous les noyaux au fond de la vallée.

Sans l'intervention des forces faibles, nous aurions bien davantage que 287 nucléides « naturels » dans notre environnement. L'expulsion d’un proton ou neutron coûte de l'énergie et faute de pouvoir transformer l'un dans l'autre plusieurs milliers de noyaux radioactifs deviendraient stables.