Introduction à la chimie nucléaire - E

Introduction à la chimie nucléaire
Autor(en): Haenny, Charles
Objekttyp: Article
Zeitschrift: Bulletin de la Société Vaudoise des Sciences Naturelles
Band (Jahr): 61 (1940-1941)
Heft 255
Persistenter Link: http://doi.org/10.5169/seals-272988
PDF erstellt am: 21.04.2017
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WEIH OE MSOCIETE UADDOISE DES SCIENCES HmEU.ES
Vol. 61 1941 N° 255
Introduction àla chimie nucléaire
PAR
Charles HAENNY
(Séance du 15 janvier 19UO.
Résumé. —Le domaine de la chimie nucléaire est celui du noyau
de l'atome. Les noyaux sont composés de protons et de neutrons,
mais d'autres particules fondamentales interviennent fréquemment
en chimie nucléaire :les électrons positif et négatif. Les noyaux
radioactifs sont des noyaux qui ont conservé une instabilité qui
disparaît généralement par l'émission d'une particule chargée. Les
réactions nucléaires qui modifient la composition des noyaux sont
produites par les neutrons lents ou rapides, par la radiation you par
les noyaux légers rapides ;protons, deutons, hélions. Ainsi s'opèrent :
transmutations et synthèses radioactives. —Les réactions nucléaires
qui libèrent le plus d'énergie et qui, de plus, sont susceptibles de se
produire àune grande échelle, sont les réactions de rupture où
certains noyaux, parmi les plus lourds que l'on connaisse, se rom¬
pent àla suite de l'absorption d'un neutron. Le développement rapide
de la chimie nucléaire, ainsi que ses applications, découlent des ca¬
ractères particuliers àcette science. Il faut surtout citer la grande
sensibililé et l'extrême finesse fies méthodes expérimentales.
La chimie nucléaire est une science qui s'occupe du noyau
de l'atome comme la chimie minérale et organique, étudie les
atomes et les molécules. La chimie nucléaire traite de la com¬
position des noyaux, de leur stabilité, des possibilités de com¬
binaisons, ainsi que du mécanisme des réactions nucléaires.
La chimie nucléaire est si intimement liée àla physique
nucléaire qu'il est difficile de concevoir un grand nombre
de phénomènes nucléaires sans le concours des deux. Cesi
ainsi qu'il sera parfois question, pour la compréhension de la
chimie nucléaire, de quelques phénomènes qui ne relèvent,
en bonne logique, que du domaine de la physique nucléaire.
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274 CHARLES HAENNY
L'importance capitale du noyau pour l'atome et par suite
pour la structure de la matière est bien connue. C'est, en
effet, le noyau qui constitue la partie essentielle de la masse
de l'atome, c'est lui qui détermine la structure électronique
de l'atome et qui fixe, en conséquence, les propriétés chimi¬
ques des éléments de la chimie classique.
Le noyau est àla fois une quantité de matière et une
quantité d'électricité positive, toutes deux gigantesques par rap¬
port au volume si petit qu'il occupe (environ un millier de
milliards de fois plus petit que celui de l'atome). Le noyau
est donc de la matière et de l'électricité positive àun état de
condensation extrême, tel qu'on n'en trouve nulle part ailleurs.
De si grandes densités en masse et en électricité donnent
lieu àdes champs de forces considérables, d'un ordre de gran¬
deur bien supérieur àceux que l'on connaît habituellement.
Les énergies développées dans ces conditions sont couramment
de plusieurs millions de fois plus grandes que celles que l'on
rencontre en chimie classique.
Il faut, pour passer du domaine de la chimie classique à
celui de la chimie nucléaire, opérer des changements d'échel¬
les si considérables, que les phénomènes ne sont pas seulement
modifiés quantitativement, mais leur nature même apparaît
changée. C'est ainsi que dans le noyau, ou àson voisinage
immédiat, la matière peut disparaître, comme s'évanouir, et
se transformer en énergie (cinétique, électromagnétique, par
exemple), ou inversement, illustrant fréquemment l'équivalence
de ces deux formes, matière et énergie, simplement liées par un
facteur de transformation. La matière se présente alors ànous
comme de l'énergie très concentrée et l'énergie comme île la
matière àun grand degré de dilution.
Il n'y aguère que vingt ans que le noyau est devenu
accessible àl'expérimentation. Depuis lors, et tout particuliè¬
rement pendant ces dix dernières années, les moyens d'atteindre
le noyau et de pénétrer dans l'enceinte nucléaire se sont mul¬
tipliés et développés. Le noyau est actuellement devenu tout
un monde nouveau ouvert ànotre investigation. Les découver¬
tes qui s'y font sont riches en conséquences pour les disciplines
les plus diverses. La composition des noyaux.
La composition des noyaux est simple puisqu'ils n'appa¬
raissent tous formés que de deux constituants: le proton et I©
neutron.
Le PROTON est le noyau de l'atome d'hydrogène. Celui-ci
étant le plus léger des atomes, son noyau est aussi le plus

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léger des noyaux. La masse du proton est, àtrès peu de
chose près, égale àune unité de l'échelle conventionnelle des
poids atomiques. Le proton est chargé d'une quantité d'élec¬
tricité positive, égale et de signe inverse àcelle de l'électron
ordinaire ou électron négatif. La charge du proton sera de
-j- 1si celle de l'électron est de —1.
Le proton n'est pas autre chose que l'ion hydrogène, c'est-à-
dire l'atome d'hydrogène qui aperdu son électron périphérique
par ionisation. On sait que le proton ou ion hydrogène, qui
n'existe pas àl'état libre, présente une certaine stabilité dans
nombre de milieux tels que les solutions d'électrolytes acides.
Le NEUTRON1 est un grain de matière aussi petit que
le proton et très légèrement plus lourd que ce dernier, mais il
n'a pas de charge électrique, il est neutre. Le neutron ne peut,
en aucun cas, retenir des électrons àsa périphérie comme le font
les noyaux dans les atomes. Il est, quant àsa masse, une
espèce de noyau, mais un noyau qui reste constamment nu,
qui n'a, ni ne subit, aucune action électrique 2.
Les neutrons libres sont rares par rapport au nombre
des atomes el des molécules. Ils n'existent guère dans la
nature ailleurs que dans le rayonnement venu des espaces
interstellaires que reçoit constamment notre planète, et qu'on
appelle le rayonnement cosmique. Cette radiation, formée de
plusieurs espèces de particules chargées d'électricité positive
ou négative et de lumière aux ondes extrêmement courtes,
contient également des neutrons plus ou moins rapides.
Les neutrons peuvent être comparés àun gaz particuliè¬
rement subtil, qui ne peut être contenu dans aucune enve¬
loppe. Ils fuient, en effet, au travers de tous les récipients
et se comportent presque comme si les murs (même en plomb)
qu'on leur oppose, n'existaient pas.
Les protons et les neutrons représentent àeux deuv les
seuls éléments de cette nouvelle chimie qu'est la chimie nu¬
cléaire. Les noyaux qu'ils forment en se combinant sont donc
des composés binaires. Les centaines d'espèces de noyaux que
l'on connaît impliquent pour ces deux éléments une richesse
de possibilité de combinaison particulièrement grande. Encore
qu'exceptionnelle, cette propriété n'a rien, apriori, d'étonnant
1Le neutron aété découvert par les travaux de Bothe et Beckeh, Z. Phys.,
1930. 66, 289. —1. Curie et F. Joliot, C. R., 1932, 194, 273, 708, 876. —Chad¬
wick, Proc. Roy. Soc, 1932, 136, 692.
2Le neutron est pourtant influencé par le champ magnétique, F. Bloch,
Phys. Rev., 1936, 50, 259, aété le premier àsignaler cette curieuse et impor¬
tante propriété.

276 CHARLES HAENNY
puisque les chimistes savent combien sont nombreux les com¬
posés que peuvent donner, par exemple, les tleux seuls élé¬
ments chimiques: le carbone et l'hydrogène.
Toutefois, contrairement àce que l'on connaît en chimie
classique, la composition des noyaux ne correspond àaucune
formule générale de combinaison. Tout ce que l'on peut dire
de simple est que les neutrons sont tlans le noyau en nombre
égal ou supérieur àcelui des protons (le noyau d'hydrogène
constitué d'un seul proton mis àpart) et que le rapporl
tlu nombre des neutrons àcelui ties protons ne peut varier
pour un élément chimique donné qu'entre tl'étroites limites
qui définissent le domaine de stabilité de ses isotopes. Ce
rapporl croit lentement àmesure que grandit le poids ato¬
mique. Il est, par exemple, de 1pour l'hélium (2 neu¬
trons 4-2 protons) et atteint 1,6 pour l'uranium (146 neu¬
trons j- 92 protons).
Un nombre quelconque de protons Z(plus petit que 92)
peut donner lieu àun petit nombre de combinaisons nucléaires
stables avec Nou N+l, N-j- 2, etc., neutrons. Tous ces
noyaux qui ont le même nombre de protons, sont porteurs
de la même charge électrique positive Z. Ils forment tous des
atomes neutres de poids différents, mais avec le même nom¬
bre Zd'électrons périphériques; ils appartiennent par suite
au même élément chimique. Ces atomes sont isotopes el l'on
dit également de leurs noyaux qu'ils sont isotopes.
Le nombre Zs'identifie avec le numéro atomique. Le
nombre total des particules d'un noyau (protons -j- neutrons)
représente en gros le poids du noyau en unité du poids
atomique puisque chaque particule vaut une unité dans cette
échelle. On l'appelle le nombre de masse M.
Un noyau est défini et caractérisé avec précision par ces
deux nombres: Zet M. En pratique, pour plus de commodité,
on désigne tout de même les noyaux en faisant usage des
symboles chimiques habituels auxquels on adjoint, en indices,
les valeurs de Zet de Mde la manière suivante:
MY
zA
où Xfigure un symbole chimique.
On écrira par exemple:
pour le noyau d'hydrogène ou proton: ill
»» » »lourd (deuterium) ou tleutoii Jll
»»de l'isotope 3de l'hydrogène: JH
»»d'hélium ou hélion: aHe