Physique nucléaire

La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant que tel (élaboration d'un modèle théorique) mais aussi la façon dont il interagit lorsqu'une particule arrive « à proximité » (l'ordre de grandeur est 10^-12 cm, on parle couramment en physique nucléaire de section efficace dont l'unité est le barn soit 10^-24 cm²) du noyau (obtention de résultats expérimentaux). Après un bref rappel historique, cet article se consacre à décrire :

• la structure nucléaire, qui vise à comprendre comment les nucléons (protons et neutrons) interagissent pour former le noyau ;
• les mécanismes des réactions nucléaires dont le but est de décrire les différentes façons qu'ont les noyaux d'interagir : fission, fusion, diffusion (élastique, inélastique), radioactivité, etc. ;
• les domaines d'applications de la physique nucléaire : de la médecine à l'astrophysique, en passant par la production d'énergie, tous ces domaines d'activité exploitent la physique des interactions rayonnement-matières ;
• les organismes de recherche en physique nucléaire, en France et dans le monde.

Introduction

La matière est constituée de molécules, elles-mêmes constituées d'atomes. Ces atomes sont formés d'un noyau central entouré par un nuage électronique. La physique nucléaire est la science qui s'intéresse à l'ensemble des phénomènes physiques faisant intervenir le noyau atomique. En raison de la taille microscopique de celui-ci, les outils mathématiques utilisés s'inscrivent essentiellement dans le cadre du formalisme de la mécanique quantique.

Le noyau atomique est constitué de nucléons, qui se répartissent en protons et en neutrons. Les protons sont des particules qui possèdent une charge électrique élémentaire positive, ambre de neutrons sont appelés isotopes.

Le noyau dans l'Histoire

Jusqu'au tournant du XX^e siècle, on a cru que les atomes étaient les constituants ultimes de la matière. La découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel et les études qui suivirent, en particulier par les époux Curie, commencèrent de suggérer que les atomes étaient peut-être eux-mêmes des objets composés. Comment, sinon, la matière pourrait-elle émettre spontanément des particules comme dans le cas de la radioactivité alpha ?

C’est en 1911 que Rutherford découvrit que les atomes semblaient effectivement être des objets composés. En analysant la diffusion de particules alpha émises par une source radioactive à travers une feuille d'or, il en vint à conclure que « le plus simple semble de supposer que l'atome contient une charge [électrique] centrale distribuée dans un volume très petit » (« it seems simplest to suppose that the atom contains a central charge distributed through a very small volume... »). Le modèle de Rutherford de l'atome était donc un noyau central possédant une charge électrique entouré par des électrons maintenus en orbite par l'interaction électromagnétique. Il avait déjà été proposé en 1904 par Nagaoka.

En 1919, Rutherford toujours, découvre l'existence dans le noyau du proton, particule possédant une charge positive élémentaire e, mais possédant une masse beaucoup plus grande que celle de l'électron (qui lui a une charge électrique élémentaire négative). En 1932, Chadwick met en évidence l'existence du neutron, particule très semblable au proton, hormis le fait qu'il ne possède pas de charge électrique (d'où son nom). À la même époque, Heisenberg propose que le noyau atomique est en fait constitué d'un ensemble de protons et de neutrons.

Structure nucléaire

L'interaction forte maintient la cohésion des nucléons au sein du noyau. C'est la plus intense des quatre forces fondamentales de la nature (d'où son nom). Elle se caractérise par le fait qu'elle est fortement attractive à courte distance (lorsque les nucléons se rapprochent très près l'un de l'autre), répulsive à « moyenne » distance, et s'annule à longue distance. Les protons étant des particules chargées, ils interagissent également via l'interaction coulombienne. Si le nombre de protons dans le noyau est important, cette dernière prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantité d'énergie qui assure la cohésion du noyau est appelée énergie de liaison du noyau.

Les réactions nucléaires

Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de l'état quantique du noyau. Participent alors à la réaction les nucléons constituant le noyau, mais également d'autres particules, tels les électrons e^-, les positrons e⁺...

Les réactions nucléaires peuvent être de plusieurs types. Les plus importantes modifient la composition du noyau et sont donc aussi des transmutations :

• la fission : un noyau lourd se brise en plusieurs fragments. C'est ce type de réaction qui est mis en œuvre dans les bombes atomiques de type A et dans les centrales nucléaires électrogènes ;
• la fusion : plusieurs noyaux légers fusionnent. C'est le mode de production d'énergie des étoiles. La fusion nucléaire est à la source de la nucléosynthèse qui permet d'expliquer la genèse de tous les éléments du tableau périodique de Mendeleïev et de leurs isotopes. C'est également le type de réaction qui est utilisé dans les bombes dites à hydrogène (Bombe H). L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise est l'objet du projet international ITER ;
• la radioactivité : un noyau émet une ou plusieurs particules spontanément. On distingue :
  • la radioactivité $\alpha$, où un noyau d'hélium 4 est émis,
  • la radioactivité $\beta$ où sont émis soit un électron et un anti-neutrino électronique ($\beta ^{-}$), soit un positron et un neutrino électronique ($\beta ^{+}$),
  • la radioactivité $\gamma$ par laquelle un noyau perd son énergie par un rayonnement électromagnétique de haute énergie ;
• la spallation (en anglais knock-out reaction) : des particules légères (neutrons par exemple) sont envoyées sur un noyau cible et expulsent un ou plusieurs nucléons de ce noyau ;
• la multifragmentation décompose un noyau en plus de deux noyaux ;

D'autres interactions ne modifient pas la composition du noyau :

• les réactions de diffusion : le projectile (un photon, un nucléon ou un ensemble de nucléons) voit sa trajectoire modifiée. On parle de diffusion élastique lorsqu'il y a conservation de l'énergie cinétique du système {projectile-cible}. Dans le cas contraire, on parle de diffusion inélastique : une énergie potentielle supplémentaire (qui provient du noyau) est libérée au moment de l'interaction. Lorsque la particule incidente est un photon, on nomme différemment la diffusion, selon le phénomène physique mis en jeu :
  • la diffusion de Thomson concerne un photon qui interagit avec un électron libre. On parle de diffusion cohérente car la longueur du photon diffusé est la même que l'incidente (voir le point suivant). La diffusion Thomson est une diffusion élastique qui a lieu généralement entre quelques dizaines de keV et 100 keV,
  • lorsque le photon a une énergie incidente supérieure (au-delà de 100 keV environ), l'énergie du photon réémis est inférieure à celle du photon incident. On parle d'effet Compton (variation de la longueur d'onde). La diffusion Compton est également une diffusion élastique (la différence d'énergie entre le gamma incident et celui réémis est transmise à l'électron). La diffusion Thomson est un cas particulier de la diffusion Compton (lorsque l'énergie du photon incident est très inférieure à 511 keV). La diffusion Thomson n'est donc pas au sens strict une diffusion cohérente mais la différence de longueur d'onde entre la particule émise et l'incidente est trop faible pour être mesurée,
  • lorsque le photon incident interagit avec un électron apparié (plus précisément avec une molécule ayant un moment dipolaire comme N2 ou O2 qu'on retrouve dans l'air -- le barycentre du nuage électronique d'un (des 2) atome ne coïncide pas avec le noyau), on parle de diffusion de Rayleigh. La diffusion de Rayleigh est parfaitement cohérente. Elle prédomine pour les photons de quelques eV. Elle explique notamment la couleur bleu du ciel ;
• l'effet photo-électrique : le photon incident « disparait » en transmettant son énergie sous forme d'énergie cinétique à un électron. Phénomène prédominant pour les photons d'énergie inférieure à quelques dizaines de keV.

Applications de la physique nucléaire

Astrophysique

La nucléosynthèse explique la fabrication dans l’Univers des divers noyaux qui le constituent actuellement. Deux processus bien distincts sont cependant nécessaires pour expliquer l'abondance des différents éléments chimiques dans l'univers :

• dans une première phase, lors du Big Bang, sont formés à partir de l'hydrogène, les noyaux de ²H (deutérium), ³He, ⁴He et ⁷Li. Aucun élément plus lourd n'est synthétisé, car cette phase est relativement courte. Or, pour former des éléments plus lourds que le lithium, il est nécessaire d'avoir recours à une réaction faisant intervenir trois noyaux d'hélium, dite réaction triple alpha. Ce type de réaction est extrêmement difficile à réaliser et ne peut se faire que sur des périodes beaucoup plus longues que les quelques minutes de la nucléosynthèse primordiale ;
• la suite de la nucléosynthèse se produit ainsi au cœur des étoiles. On parle alors de nucléosynthèse stellaire. Celle-ci se scinde d'ailleurs en deux procédés : la nucléosynthèse lente, ayant lieu dans les étoiles, qui permet de synthétiser les éléments plus légers que le fer, puis la nucléosynthèse explosive, produite uniquement lors des explosions d'étoiles, appelées supernovae. On parle alors de nucléosynthèse explosive.

Médecine

La médecine nucléaire repose sur l'utilisation de sources radioactives et de l'interaction de ces sources avec les tissus humains. Cette interaction est exploitée à des fins de diagnostic (radiologie par exemple) ou de traitement (radiothérapie). À partir des années 1980 se sont développées les techniques d’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) qui font appel aux propriétés magnétiques des noyaux.

Production d'énergie

La production d'énergie nucléaire peut avoir deux origines : la fission d'un noyau lourd (famille des actinides comme l'uranium) ou la fusion de noyaux légers (de type deutérium, tritium).

La production d'énergie peut être :

• brève et intense : c'est le principe d'une bombe nucléaire ;
• contrôlée (à des fins de production civile mais aussi militaire).

Production d'énergie contrôlée

Actuellement, les industriels ne peuvent exploiter que l'énergie qui provient de la fission des noyaux lourds. L'énergie est ensuite utilisée :

• soit pour produire de l'électricité, c'est le cas des centrales nucléaires

• soit pour permettre de mouvoir un véhicule, particulièrement dans le domaine maritime (porte-avions, sous-marins à propulsion nucléaire) et de l'aérospatiale

L'utilisation de la fusion à des fins de production d'énergie civile n'est pas encore maîtrisée. Sa maîtrise est l'objet du projet international ITER.

Analyse par activation

Le principe est d'irradier, sous flux neutronique, un objet dans le but de créer des produits d'activations qui sont des radio-isotopes formés à partir des éléments présents dans la matrice à analyser. Chaque radioisotope émet des raies X/gamma qui lui sont caractéristiques. En fonction de l'intensité des raies émises, il est possible de remonter à la composition initiale, dans des proportions nettement inférieures à celles d'une analyse chimique : alors que le ppm (partie par million) est typiquement la limite basse d'une concentration issue d'une mesure chimique, il est possible d'atteindre, avec l'analyse par activation, des concentrations allant jusqu'à 10^-12.

Contrôle non destructif

Même principe que la radiologie utilisée en médecine mais les sources de rayonnement sont plus intenses et ont un spectre plus « dur » du fait des épaisseurs et de la nature de la matière (acier...) à traverser.

Organismes de recherche en physique nucléaire

En France

• Commissariat à l’énergie atomique (CEA)
• Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
• Grand accélérateur national d’ions lourds (GANIL, Caen)
• Institut de physique nucléaire (IPN, Orsay)
• Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, Orsay)
• Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse (CSNSM, Orsay)
• Imagerie et modélisation en neurobiologie et cancérologie (IMNC, Orsay)
• Synchrotron soleil (Saclay)
• European synchrotron radiation facility (ESRF, Grenoble)
• Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble)
• Laboratoire Léon Brillouin (LLB, Orsay)
• Laboratoire national Henri Bequerel (Saclay)
• Centre d’études nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG, Bordeaux Gradignan)
• Institut de physique nucléaire (IPN, Villeurbanne)
• Laboratoire de physique corpusculaire  (LPC Caen, Clermont-Ferrand)
• Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, Strasbourg)
• Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, Paris Jussieu)

En Europe

• Conseil Européen de Recherche Nucléaire (CERN)

Dans le monde

• Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
• Los Alamos National Laboratory (LANL)
• Argonne National Laboratory (ANL)

Bibliographie

Ouvrages de vulgarisation

• James M. Cork, Radioactivité & physique nucléaire, Dunod, 1949.
• Bernard Fernandez, De l'atome au noyau - Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire, éd. Ellipses, 2006 (ISBN 2729827846).

Ouvrages d'initiation

• Luc Valentin, Le monde subatomique [détail des éditions]
• Luc Valentin, Noyaux et particules - Modèles et symétries, Hermann, 1997.
• David Halliday, Introduction à la physique nucléaire, Dunod, 1957.

Ouvrages de physique fondamentale

• Irving Kaplan, Nuclear physics, the Addison-Wesley Series in Nuclear Science & Engineering, Addison-Wesley, 1956.

• A. Bohr & B. Mottelson, Nuclear Structure, 2 vol. , Benjamin, 1969-1975. Volume 1 : Single Particle Motion ; volume 2 : Nuclear Deformations. Réédité par World Scientific Publishing Company, 1998 (ISBN 981-02-3197-0).

• P. Ring & P. Schuck, The nuclear many-body problem, Springer Verlag, 1980 (ISBN 3-540-21206-X).

• A. de Shalit & H. Feshbach, Theoretical Nuclear Physics, 2 vol. , John Wiley & Sons, 1974. Volume 1 : Nuclear Structure ; volume 2 : Nuclear Reactions (ISBN 0-471-20385-8).

• C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Mécanique quantique, 2 vol. , Hermann, collection « Enseignement des sciences » (ISBN 2-7056-6074-7 et 2-7056-6121-2).

Annexes

Articles connexes

• Radioactivité
• Fission nucléaire
• Fusion nucléaire
• Physique des particules
• Mécanique quantique
• Énergie nucléaire

Concernant les bombes atomiques

• Bombe A
• Bombe H
• Bombe à neutrons
• Bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki
• Hibakusha

Liens externes

• Service de Physique Nucléaire CEA/DAM, France
• Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (In2p3), France
• Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), France
• Commissariat à l'Energie Atomique (CEA), France
• Centre Européen de Recherches Nucléaires, Suisse
• (en) Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Allemagne
• (en) Joint Institute for Nuclear Research (JINR), Russie
• (en) Argonne National Laboratory (ANL), États-Unis
• (en) Riken, Japon