Noyaux atomiques & isotopes

De quoi est fait un noyau atomique

Presque toute la masse d'un atome — plus de 99,9 % — est concentrée dans son noyau, bien que celui-ci n'occupe qu'un dix mille milliardième du volume total de l'atome. Le noyau est composé de deux types de nucléons : les protons, chargés positivement, et les neutrons, électriquement neutres. Les deux ont une masse presque identique (environ 1,67 · 10⁻²⁷ kg) et sont eux-mêmes constitués chacun de trois quarks.

Le nombre de protons — le numéro atomique Z — détermine de quel élément chimique il s'agit : tout élément possédant exactement 6 protons est du carbone, tout élément avec 79 protons est de l'or. Changer le nombre de protons change l'élément. Le nombre de neutrons N, en revanche, peut varier pour un même élément — c'est précisément l'origine des isotopes.

Les protons se repoussent électromagnétiquement — les neutrons apportent une attraction forte supplémentaire, sans contribuer eux-mêmes à la charge. C'est pourquoi les noyaux plus lourds ont besoin de proportionnellement plus de neutrons que de protons pour rester stables.

Ce qui définit un isotope

Les isotopes sont des atomes d'un même élément — donc de numéro atomique Z identique — qui diffèrent par leur nombre de neutrons N. Comme le nombre de neutrons n'a pratiquement aucune influence sur le comportement chimique (celui-ci est déterminé presque exclusivement par les électrons), les isotopes d'un élément se comportent chimiquement de façon presque identique. Leurs noyaux, en revanche, peuvent différer fondamentalement : certains sont stables pour l'éternité, d'autres se désintègrent en quelques secondes.

La notation nombre de masse A (somme des protons et des neutrons, en exposant à gauche) et numéro atomique Z (en indice à gauche) devant le symbole de l'élément identifie un nuclide de manière univoque. Le carbone existe naturellement sous trois isotopes :

La vallée de stabilité

Si l'on reporte pour tous les nuclides connus le nombre de neutrons N en fonction du nombre de protons Z, on obtient une bande étroite de noyaux stables — la vallée de stabilité. Pour les éléments légers, l'optimum se situe près de N = Z (autant de protons que de neutrons). À mesure que le nombre de protons augmente, la bande se déplace de plus en plus vers un excès de neutrons, car des neutrons supplémentaires sont nécessaires pour compenser la répulsion coulombienne croissante d'un nombre toujours plus grand de protons — sans eux-mêmes contribuer à cette répulsion.

Les noyaux situés en dehors de cette vallée sont instables et se désintègrent de façon à s'en rapprocher : un excès de neutrons est généralement corrigé par désintégration β⁻ (un neutron devient un proton), un excès de protons par désintégration β⁺ ou capture électronique. Les noyaux très lourds, au-delà du plomb, expulsent souvent des noyaux d'hélium entiers — la désintégration alpha. Les modes de désintégration exacts et leur cinématique sont approfondis sur la page de physique des particules consacrée aux désintégrations radioactives.

Énergie de liaison par nucléon

La masse d'un noyau atomique est toujours inférieure à la somme des masses de ses nucléons individuels — la différence s'appelle le défaut de masse et correspond exactement, selon la relation E = mc² d'Einstein, à l'énergie qui serait libérée lors de l'assemblage du noyau : l'énergie de liaison. En divisant celle-ci par le nombre de nucléons, on obtient l'énergie de liaison par nucléon — une mesure directe de la solidité de la cohésion d'un noyau.

Si l'on reporte cette valeur en fonction du nombre de masse A, on obtient une courbe avec un maximum dans la région du fer-56 et du nickel-62 — les noyaux les plus fortement liés de tout le tableau périodique. (Le pic exact revient au nickel-62, de justesse devant le fer-56 ; comme le fer-56 est le nuclide de loin le plus abondant et le plus emblématique de cette région, il sert ici de point de référence.) Cela explique pourquoi la fission d'éléments lourds comme la fusion d'éléments légers libèrent toutes deux de l'énergie : les deux processus déplacent le noyau sur la courbe en direction de ce maximum.

Pourquoi précisément le fer ?

La raison de ce maximum précis réside dans la compétition entre deux forces de portées très différentes. La force nucléaire forte a une portée extrêmement courte — chaque nucléon ne « ressent » que ses voisins immédiats, quelle que soit la taille totale du noyau. À mesure que le nombre de nucléons augmente, cette contribution à l'énergie de liaison par nucléon ne peut donc pas croître indéfiniment, elle sature. La répulsion électrique entre les protons (force de Coulomb), en revanche, agit sur l'ensemble du noyau et croît de plus en plus vite avec le nombre de protons, puisque chaque proton repousse tous les autres protons du noyau. Jusqu'à environ le nombre de masse 56, le gain apporté par les liaisons nucléoniques supplémentaires l'emporte encore sur la répulsion coulombienne, encore modérée — chaque nucléon supplémentaire rend le noyau en moyenne plus fortement lié. À partir du fer, le rapport s'inverse : des protons supplémentaires apportent plus d'énergie répulsive qu'attractive, et la courbe redescend. Le fer-56, le nickel-62 et le cobalt-59 se situent presque exactement au point où la saturation de la force nucléaire et la croissance de la répulsion coulombienne s'équilibrent — c'est quelque part dans ce groupe restreint que se trouve le maximum de l'énergie de liaison par nucléon de tout le tableau périodique (la mesure précise le situe très légèrement au nickel-62, et non au fer-56 lui-même).

À quoi servent les isotopes en pratique

Comme les isotopes se comportent chimiquement de façon presque identique, mais sont physiquement distinguables — que ce soit par leur masse ou leur radioactivité — ils peuvent servir de marqueurs dans des processus qui seraient autrement inobservables.