Physique nucléaire: qu'est-ce que c'est, qui l'a découvert et pourquoi est-ce important ?

Plusieurs jours nuageux à Paris en 1896 ont « ruiné » l'expérience d'Henri Becquerel, mais dans la foulée, le domaine de la physique nucléaire est né. Becquerel était là pour prouver son hypothèse selon laquelle l'uranium absorbait la lumière du soleil et la re-rayait sous forme de rayons X, qui avaient été découverts l'année précédente.

Le plan de Becquerel était d'amener le sulfate d'uranyle de potassium à la lumière du soleil, puis de le mettre en contact avec des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir, car si la lumière visible ne passerait pas, les rayons X aurait. Malgré le manque de soleil, il a quand même décidé de suivre le processus et a été choqué lorsqu'il a découvert des images encore enregistrées sur la plaque photographique.

Des tests supplémentaires ont montré qu'il ne s'agissait pas du tout de rayons X, malgré ses hypothèses. Le chemin de la lumière n'est pas courbé par un champ magnétique, mais le rayonnement de l'uranium

Plus tard, Ernest Rutherford a proposé les termes particules alpha, particules bêta et particules gamma pour le matériau rayonné, et le champ de Physique nucléaire vraiment commencé.

Bien sûr, les gens en savent beaucoup plus sur la physique nucléaire aujourd'hui qu'au tournant du 20e siècle, et c'est un sujet crucial à comprendre et à apprendre pour tout étudiant en physique. Que vous souhaitiez comprendre la nature de l'énergie nucléaire, les forces nucléaires fortes et faibles ou contribuer à des domaines comme la médecine nucléaire, l'apprentissage des bases est essentiel.

La physique nucléaire est essentiellement la physique du noyau, la partie de l'atome contenant les deux plus connues "hadrons", protons et neutrons.

En particulier, il examine les forces opérant dans le noyau (l'interaction forte qui lie les protons et les neutrons ensemble dans le noyau, ainsi que le maintien de leur composant quarks ensemble, et l'interaction faible liée à la désintégration radioactive), et l'interaction des noyaux avec d'autres particules.

La physique nucléaire couvre des sujets comme la fusion nucléaire (qui se rapporte à l'énergie de liaison de différents éléments), la fission nucléaire (qui est la division des éléments lourds pour produire de l'énergie) ainsi que la désintégration radioactive et la structure de base et les forces en jeu dans le noyau.

Il existe de nombreuses applications pratiques du domaine, y compris (mais sans s'y limiter) le travail dans l'énergie nucléaire, la médecine nucléaire et la physique des hautes énergies.

Un atome est composé d'un noyau, qui contient les protons chargés positivement et les neutrons non chargés, maintenus ensemble par la force nucléaire forte. Ceux-ci sont entourés d'électrons chargés négativement, qui forment ce qu'on appelle un "nuage" autour du noyau, et le nombre d'électrons correspond au nombre de protons dans un atome neutre.

Il y a eu de nombreux modèles de l'atome proposés tout au long de l'histoire de la physique, y compris la « prune de Thomson pudding", le modèle "planétaire" de Rutherford et Bohr et le modèle moderne de mécanique quantique décrit dessus.

Le noyau est minuscule, à environ 10⁻¹⁵ m, contenant la majeure partie de la masse de l'atome, tandis que l'atome entier est de l'ordre de 10⁻¹⁰ m. Ne vous laissez pas tromper par la notation - cela signifie que le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome dans son ensemble, mais il contient la grande majorité de la matière. L'atome est donc majoritairement espace libre!

La masse de l'atome n'est pas exactement la même que la masse des parties constituantes: si vous additionnez les masses des protons et neutrons, il dépasse déjà la masse de l'atome, avant même de tenir compte de la masse beaucoup plus petite du électron.

C'est ce qu'on appelle le "défaut de masse" de l'atome, et si vous convertissez cette différence en énergie en utilisant la célèbre équation d'Einstein E = mc², vous obtenez « l'énergie de liaison » du noyau.

C'est l'énergie que vous auriez à mettre dans le système afin de diviser le noyau en ses protons et neutrons constitutifs. Ces énergies sont beaucoup, beaucoup plus grandes que l'énergie nécessaire pour retirer un électron de son « orbite » autour du noyau.

Les deux types de nucléon (c'est-à-dire particule du noyau) sont le proton et le neutron, et ceux-ci sont étroitement liés ensemble dans le noyau de l'atome.

Bien que ce soient généralement les nucléons dont vous entendrez parler, ce ne sont pas en fait des particules fondamentales dans le modèle standard de la physique des particules. Le proton et le neutron sont tous deux composés de particules fondamentales appelées quarks, qui se déclinent en six « saveurs » et portent chacune une fraction de la charge d'un proton ou d'un électron.

Un quark up a un 2/3 e charge, où e est la charge d'un électron, tandis qu'un quark down a un -1/3 e charger. Cela signifie que deux quarks up et un quark down combinés produiraient une particule avec une charge de magnitude positive e, qui est un proton. D'autre part, un quark up et deux quarks down produisent une particule sans charge globale, le neutron.

Le modèle standard répertorie toutes les particules fondamentales actuellement connues et les regroupe en deux groupes principaux: les fermions et les bosons. Fermions sont subdivisés en quarks (qui produisent à leur tour des hadrons comme des protons et des neutrons) et des leptons (qui comprennent des électrons et des neutrinos), et bosons sont subdivisés en bosons de jauge et bosons scalaires.

Le boson de Higgs est le seul boson scalaire connu à ce jour, avec les autres bosons - le photon, le gluon, Z-bosons et W bosons – étant des bosons de jauge.

Les fermions, contrairement aux bosons, obéissent aux « lois de conservation des nombres ». Par exemple, il existe une loi de conservation du nombre de leptons, qui explique des choses comme les particules produites dans le cadre de la désintégration nucléaire processus (parce que la création d'un électron avec le lepton numéro 1, par exemple, doit être équilibrée avec la création d'une autre particule avec lepton numéro -1, comme un anti-neutrino électronique).

Le nombre de quarks est également conservé, et il existe également d'autres quantités conservées.

Les bosons sont des particules porteuses de force, et donc les interactions des particules fondamentales sont médiées par les bosons. Par exemple, l'interaction des quarks est médiée par des gluons, et les interactions électromagnétiques sont médiées par des photons.

Bien que la force électromagnétique s'applique dans le noyau, les principales forces que vous devez prendre en compte sont les forces nucléaires fortes et faibles. La force nucléaire forte est portée par les gluons et la force nucléaire faible est portée par les W^± et le Z⁰ bosons.

Comme son nom l'indique, la force nucléaire forte est la plus forte de toutes les forces fondamentales, suivie par l'électromagnétisme (10² fois plus faible), la force faible (10⁶ fois plus faible) et la gravité (10⁴⁰ fois plus faible). L'énorme différence entre la gravité et le reste des forces est la raison pour laquelle les physiciens la négligent essentiellement lorsqu'ils discutent de la matière au niveau atomique.

La force puissante Besoins être fort pour surmonter la répulsion électromagnétique entre les protons chargés positivement dans le noyau - s'il avait été plus faible que la force électromagnétique, aucun atome avec plus d'un proton dans le noyau n'aurait pu forme. Cependant, la force forte a une très courte portée.

Ceci est important car cela montre pourquoi la force n'est pas perceptible même à l'échelle d'atomes entiers ou molécules, mais cela signifie également que la répulsion électromagnétique devient plus pertinente pour les noyaux lourds (c'est-à-dire atomes plus gros). C'est l'une des raisons pour lesquelles les noyaux instables sont souvent ceux des éléments lourds.

La force faible a également une portée très courte, et elle fait essentiellement changer la saveur des quarks. Cela peut transformer un proton en neutron et vice-versa, et on peut donc le considérer comme la cause de désintégration nucléaire des processus tels que la désintégration bêta plus et moins.

Il existe trois types de désintégration radioactive: la désintégration alpha, la désintégration bêta et la désintégration gamma. La désintégration alpha se produit lorsqu'un atome se désintègre en libérant une "particule alpha", qui est un autre terme pour un noyau d'hélium.

Il existe trois sous-types de désintégration bêta, mais tous impliquent la transformation d'un proton en neutron ou vice-versa. Une désintégration bêta moins se produit lorsqu'un neutron devient un proton et libère un électron et un anti-neutrino électronique dans le processus, tandis que dans la désintégration bêta plus, un proton devient un neutron et libère un positron (c'est-à-dire un anti-électron) et un électron neutrinos.

Dans la capture d'électrons, un électron des parties externes de l'atome est absorbé dans le noyau et un proton est converti en neutron, et un neutrino est libéré du processus.

La désintégration gamma est une désintégration où l'énergie est libérée mais rien dans l'atome ne change. Ceci est analogue à la façon dont un photon est libéré lorsqu'un électron fait une transition d'un état de haute énergie à un état de basse énergie. Un noyau excité effectue une transition vers un état de basse énergie et émet un rayon gamma comme il le fait.

La fusion nucléaire c'est quand deux noyaux fusionnent et créent un noyau plus lourd. C'est ainsi que l'énergie est générée dans le soleil, et faire en sorte que le processus se produise sur Terre pour la production d'électricité est l'un des plus grands objectifs de la physique expérimentale.

Le problème est qu'il nécessite des températures et des pressions extrêmement élevées, et donc des niveaux d'énergie très élevés. Cependant, si les scientifiques y parviennent, la fusion pourrait devenir une source d'énergie vitale alors que la société continue de croître et que nous consommons de plus en plus d'énergie.

Fission nucléaire est la division d'un élément lourd en deux noyaux plus légers, et c'est ce qui alimente la génération actuelle de réacteurs nucléaires.

La fission est également le principe de fonctionnement des armes nucléaires, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles c'est un domaine controversé. En pratique, la fission fonctionne à travers une série de réactions en chaîne. Un neutron qui crée la scission initiale dans un élément lourd comme l'uranium, génère un autre neutron libre après la réaction, qui peut ensuite provoquer une autre scission et ainsi de suite.

Essentiellement, ces deux processus gagnent de l'énergie grâce à la E = mc² relation, puisque la fusion ou la division des atomes implique une libération d'énergie de la "masse manquante".

Il existe une vaste gamme d'applications de la physique nucléaire. Notamment, les réacteurs nucléaires et les centrales nucléaires sont opérationnels dans de nombreux pays du monde, et de nombreux physiciens travaillent sur des conceptions nouvelles et plus sûres.

Par exemple, certaines conceptions de réacteurs nucléaires visent à garantir que la matière source ne peut pas être utilisée pour créer des armes nucléaires, qui nécessitent une source d'uranium beaucoup plus enrichie (c'est-à-dire un uranium « plus pur ») pour fonctionner.

Médecine nucléaire est un autre domaine important pour la physique nucléaire. La médecine nucléaire implique l'administration de très petites quantités de matières radioactives au patient, puis des détecteurs sont utilisés pour capturer des images du rayonnement émis. Cela aide les médecins à diagnostiquer les troubles rénaux, thyroïdiens, cardiaques et autres.

Bien sûr, il existe de nombreux autres domaines où la physique nucléaire est essentiellement, y compris la physique des hautes énergies et les particules les accélérateurs comme le CERN et l'astrophysique, où de nombreux processus dominants dans les étoiles dépendent fortement du nucléaire la physique.