La physique atomique et la physique nucléaire décrivent toutes deux la physique du très petit. Lorsque vous travaillez avec de si petits objets, votre intuition construite à partir de votre compréhension de la mécanique classique échoue souvent. C'est le domaine de la mécanique quantique, des forces nucléaires à courte portée, du rayonnement électromagnétique et du modèle standard de la physique des particules.
Qu'est-ce que la physique atomique?
La physique atomique est la branche de la physique qui traite de la structure de l'atome, des états énergétiques associés et de l'interaction de l'atome avec les particules et les champs. En revanche, la physique nucléaire se concentre spécifiquement sur les événements à l'intérieur du noyau atomique, qui sont décrits plus en détail dans la section suivante.
Il y a plusieurs sujets d'étude en physique des particules. D'abord et avant tout, la structure de l'atome lui-même. Les atomes sont constitués d'un noyau étroitement lié, qui contient des protons et des neutrons, et d'un nuage d'électrons diffus.
Étant donné que le noyau est généralement de l'ordre de 10-15 à 10-14 m de diamètre, et les atomes eux-mêmes sont de l'ordre de 10-10 m de diamètre (et la taille des électrons est négligeable), il s'avère que les atomes sont pour la plupart des espaces vides. Bien sûr, ils ne semblent pas être ce qu'ils sont et toute la matière composée d'atomes ressemble certainement à de la substance.
La raison pour laquelle les atomes ne semblent pas être principalement de l'espace vide est que vous êtes également constitué d'atomes et que tous les atomes interagissent avec l'énergie électromagnétique. Même si votre main, composée principalement d'atomes de l'espace vide, appuie contre une table, également composée principalement de espace vide, il ne passe pas à travers la table à cause des forces électromagnétiques entre les atomes lorsqu'ils entrent contact.
Le neutrino, une particule qui n'interagit pas avec la force électromagnétique, est cependant capable de traverser la plupart des matériaux atomiques pratiquement sans être détectés. En fait, 100 000 milliards de neutrinos traversent votre corps chaque seconde !
Classification des atomes
Les atomes sont classés par numéro atomique dans le tableau périodique. Le numéro atomique est le nombre de protons que l'atome contient dans son noyau. Ce nombre définit l'élément.
Alors qu'un élément donné aura toujours le même nombre de protons, il peut contenir différents nombres de neutrons. Différents isotopes d'un élément contiennent des nombres différents de neutrons. Certains isotopes sont plus stables que d'autres (c'est-à-dire moins susceptibles de se désintégrer spontanément en quelque chose d'autre), et cette stabilité dépend généralement du nombre de neutrons, c'est pourquoi, pour la plupart des éléments, la majorité des atomes ont tendance à être d'un isotope.
Le nombre d'électrons qu'un atome contient détermine s'il est ionisé ou chargé. Un atome neutre contient le même nombre d'électrons que de protons, mais parfois les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons et se charger. La facilité avec laquelle un atome gagne ou perd des électrons dépend de sa structure orbitale électronique.
L'atome d'hydrogène est l'atome le plus simple, ne contenant qu'un seul proton dans son noyau. Les trois isotopes les plus stables de l'hydrogène sont le protium (ne contenant pas de neutrons), le deutérium (contenant un neutron) et le tritium (contenant deux neutrons), le protium étant le plus abondant.
Différents modèles de l'atome ont été proposés au fil des années, conduisant au modèle actuel. Les premiers travaux ont été effectués par Ernest Rutherford, Niels Bohr et d'autres.
Spectres d'absorption et d'émission
Comme mentionné, les atomes interagissent avec la force électromagnétique. Les protons dans un atome portent une charge positive et les électrons portent une charge négative. Les électrons de l'atome peuvent absorber le rayonnement électromagnétique et atteindre un état d'énergie plus élevé en conséquence, ou émettre un rayonnement et passer à un état d'énergie plus faible.
Une propriété clé de cette absorption et émission de rayonnement est que les atomes n'absorbent et n'émettent de rayonnement qu'à des valeurs quantifiées très spécifiques. Et pour chaque type d'atome différent, ces valeurs spécifiques sont différentes.
Un gaz chaud de matière atomique émettra un rayonnement à des longueurs d'onde très spécifiques. Si la lumière provenant de ce gaz passe à travers un spectroscope, qui diffuse la lumière dans un spectre par longueur d'onde (comme un arc-en-ciel), des raies d'émission distinctes apparaîtront. L'ensemble des raies d'émission provenant du gaz peut être lu presque comme un code-barres vous indiquant exactement quels atomes se trouvent dans le gaz.
De même, si un spectre continu de lumière est incident sur un gaz froid, et la lumière qui traverse ce gaz est alors passé à travers un spectroscope, vous verriez un spectre continu avec des lacunes sombres aux longueurs d'onde spécifiques que le gaz absorbé. Ce spectre d'absorption ressemblera à l'inverse du spectre d'émission, les lignes sombres apparaissant là où se trouvaient les lignes claires pour le même gaz. A ce titre, il peut également être lu comme un code-barres vous indiquant la composition du gaz. Les astronomes l'utilisent tout le temps pour déterminer la composition de la matière dans l'espace.
Qu'est-ce que la physique nucléaire?
La physique nucléaire se concentre sur le noyau atomique, les réactions nucléaires et l'interaction du noyau avec d'autres particules. Il explore la désintégration radioactive, la fusion et la fission nucléaires, et l'énergie de liaison, entre autres sujets.
Le noyau contient un amas étroitement lié de protons et de neutrons. Cependant, ce ne sont pas des particules fondamentales. Les protons et les neutrons sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks.
Les quarks sont des particules avec une charge fractionnaire et des noms un peu idiots. Ils se déclinent en six soi-disant saveurs: haut, bas, haut, bas, étrange et charme. Un neutron est composé de deux quarks down et d'un quark up, et un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down. Les quarks de chaque nucléon sont étroitement liés par la force nucléaire forte.
La force nucléaire forte est médiée par des particules appelées gluons. Sentez-vous un thème? Les scientifiques se sont beaucoup amusés à nommer ces particules! Les gluons, bien sûr, « collent » les quarks ensemble. La force nucléaire puissante n'agit qu'à très courte distance – à une distance comparable au diamètre du noyau de taille moyenne.
Énergie de liaison
Chaque neutron isolé a une masse de 1.6749275 × 10-27 kg, et chaque proton isolé a une masse de 1,6726219 × 10-27 kg; cependant, lorsqu'elles sont liées ensemble dans un noyau atomique, la masse atomique n'est pas la somme de ses éléments constitutifs en raison de ce qu'on appelle l'énergie de liaison.
En devenant étroitement liés, les nucléons atteignent un état d'énergie inférieur en raison de la conversion d'une partie de la masse totale qu'ils avaient en tant que particules individuelles en énergie. Cette différence de masse convertie en énergie est appelée énergie de liaison du noyau. La relation qui décrit combien d'énergie correspond à une quantité donnée de masse est la célèbre E = mc2 équation où m est la masse, c est la vitesse de la lumière et E est l'énergie.
Un concept connexe est l'énergie de liaison par nucléon, qui est l'énergie de liaison totale d'un noyau moyennée sur ses parties constituantes. L'énergie de liaison par nucléon est un bon indicateur de la stabilité d'un noyau. Une faible énergie de liaison par nucléon indique qu'un état plus favorable d'énergie totale inférieure pourrait exister pour ce noyau particulier, ce qui signifie qu'il voudra probablement se séparer ou fusionner avec un autre noyau sous le bon conditions.
En général, les noyaux plus légers que les noyaux de fer ont tendance à atteindre des états d'énergie inférieurs et une énergie de liaison plus élevée par nucléon, en fusionnant avec d'autres noyaux, tandis que les noyaux plus lourds que le fer ont tendance à atteindre des états d'énergie inférieurs en se séparant en plus légers noyaux. Les processus par lesquels ces changements se produisent sont décrits dans la section suivante.
Fission, fusion et désintégration radioactive
L'objectif principal de la physique nucléaire est d'étudier la fission, la fusion et la désintégration des noyaux atomiques. Ces processus sont tous motivés par une notion fondamentale selon laquelle toutes les particules préfèrent des états d'énergie inférieure.
La fission se produit lorsqu'un noyau lourd se brise en noyaux plus petits. Les noyaux très lourds sont plus enclins à le faire car ils ont une énergie de liaison plus petite par nucléon. Comme vous vous en souviendrez peut-être, quelques forces régissent ce qui se passe dans un noyau atomique. La force nucléaire forte lie étroitement les nucléons entre eux, mais c'est une force à très courte portée. Donc pour les très gros noyaux, c'est moins efficace.
Les protons chargés positivement dans le noyau se repoussent également via la force électromagnétique. Cette répulsion doit être surmontée par la force nucléaire forte et peut également être médiée en ayant suffisamment de neutrons autour. Mais plus le noyau est gros, moins le bilan des forces est favorable à la stabilité.
Par conséquent, les noyaux plus gros ont tendance à vouloir se séparer soit via des processus de désintégration radioactive, soit via des réactions de fission telles que celles qui se produisent dans les réacteurs nucléaires ou les bombes à fission.
La fusion se produit lorsque deux noyaux plus légers atteignent un état énergétique plus favorable en se combinant en un noyau plus lourd. Cependant, pour que la fission se produise, les noyaux en question doivent être suffisamment proches les uns des autres pour que la force nucléaire forte puisse prendre le relais. Cela signifie qu'ils doivent se déplacer suffisamment vite pour pouvoir surmonter la répulsion électrique.
Les noyaux se déplacent rapidement à des températures extrêmes, cette condition est donc souvent requise. C'est ainsi que la fusion nucléaire peut avoir lieu dans le noyau extrêmement chaud du soleil. À ce jour, les scientifiques tentent toujours de trouver un moyen de provoquer la fusion à froid, c'est-à-dire la fusion à des températures plus basses. Étant donné que l'énergie est libérée dans le processus de fusion et ne laisse pas de déchets radioactifs comme les réacteurs à fission ont tendance à le faire, ce serait une ressource énergétique incroyable s'il était atteint.
La désintégration radioactive est un moyen courant par lequel les noyaux subissent des changements pour devenir plus stables. Il existe trois principaux types de désintégration: la désintégration alpha, la désintégration bêta et la désintégration gamma.
Dans la désintégration alpha, un noyau radioactif libère une particule alpha (un noyau d'hélium-4) et devient ainsi plus stable. La désintégration bêta se présente sous plusieurs formes, mais résulte essentiellement du fait qu'un neutron devient un proton ou qu'un proton devient un neutron et libère un β- ou alors β+ particule (un électron ou un positon). La désintégration gamma se produit lorsqu'un noyau dans un état excité libère de l'énergie sous forme de rayons gamma, mais conserve son nombre total de neutrons et de protons.
Le modèle standard de la physique des particules
L'étude de la physique nucléaire s'étend au domaine plus large de la physique des particules, qui vise à comprendre le fonctionnement de toutes les particules fondamentales. Le modèle standard classe les particules en fermions et bosons, puis classe les fermions en quarks et leptons, et les bosons en bosons de jauge et scalaires.
Les bosons n'obéissent pas aux lois de conservation des nombres, contrairement aux fermions. Il existe également une loi de conservation pour les nombres de leptons et de quarks en plus d'autres quantités conservées. Les interactions des particules fondamentales sont médiées par les bosons porteurs d'énergie.
Applications de la physique nucléaire et de la physique atomique
Les applications de la physique nucléaire et atomique sont abondantes. Les réacteurs nucléaires des centrales nucléaires créent de l'énergie propre en exploitant l'énergie libérée lors des processus de fission. La médecine nucléaire utilise des isotopes radioactifs pour l'imagerie. Les astrophysiciens utilisent la spectroscopie pour déterminer la composition des nébuleuses distantes. L'imagerie par résonance magnétique permet aux médecins de créer des images détaillées de l'intérieur de leurs patients. Même la technologie des rayons X utilise la physique nucléaire.