SEMAINE 1 Voyage au cœur de la matie re - Fun-Mooc

MOOC « Au cœur de la radioactivité médicale »
SEMAINE 1
Voyage au cœur de la matiere
Enseignant : Jacques Martino
C’est vraiment au 20ème siècle, et ça a été un des grands apports du 20ème siècle, que s’est forgé
notre compréhension, du moins ce que nous comprenons aujourd’hui et qui concerne la
structure de la matière.
Je vais vous parler de la matière ordinaire c’est-à-dire de la matière dont nous sommes
constitués. Par parenthèse, seulement 4 % du contenu de l’univers relève de cette matière
ordinaire, tout le reste est une composante beaucoup plus compliquée du point de vue
énergétique au sens e=mc2 d’Albert Einstein et s’appelle matière noire et énergie noire je n’en
parlerais pas.
La matière ordinaire est constituée de briques. Les briques sont les particules de matière
qui sont liées par des forces. Ces forces sont également dues à des particules, à d’autres
particules. Les particules de matière, ou particules briques si vous voulez, sont des
particules que l’on empile, comme les briques, on ne peut pas les mélanger, on les met les
unes au-dessus des autres, et essentiellement à l’origine ce sont ce que nous appelons les
quarks.
Il y a six quarks mais pour ceux qui nous intéressent pour la matière ordinaire ce sont
seulement deux quarks qui rentrent en jeu : les quarks dit « u » et « d ». Les autres quarks
n’interviennent pas.
Les particules forces sont des particules qui, par compte, peuvent s’empiler, peuvent se
mettre ensemble au même endroit pour donner des forces plus intenses. C’est le cas par
exemple du grain de lumière, c’est le cas des gluons et ce sont elles qui lient ces particules.
Ces particules élémentaires qu’elles soient de nature briques ou de nature forces sont
appelées élémentaires car elles sont ponctuelles, du moins dans notre compréhension
actuelle, elles n’ont pas de dimension. Ces quarks qui s’empilent, qui sont liés par des forces
commencent à fabriquer le premier élément structurel de la matière ordinaire que l’on
appelle les protons et les neutrons. Les protons et les neutrons ne sont plus des particules
élémentaires, ce sont des objets qui ont une dimension et une structure à l’intérieur d’eux, il
y a des quarks et il y a des gluons qui servent de forces. Le proton par exemple, premier
édifice complexe que la nature a fabriqué, est le noyau de l’atome d’hydrogène. On n’en est
pas encore aux atomes, on n’en est au noyau.
Et on n’en est encore moins aux molécules dont on parlera peut-être dans un autre exposé si
importantes pour les médicaments. Un atome donc est constitué d’un noyau très lourd, le
proton pour l’hydrogène, je viendrai au noyau plus lourd par la suite, et c’est ce noyau qui
constitue, qui porte quasiment toute la masse de l’atome. Le noyau est entouré d’un nuage
d’électrons. Si Nantes était un atome à deux dimensions, évidemment c’est à trois
dimensions. Si Nantes était un atome, les électrons rempliraient tout le volume, si vous
voulez, à l’intérieur du périphérique. Ils sont partout, quelquefois on dit qu’ils sont sur des
orbites c’est un tout petit peu plus compliqué que ça, ils sont un peu partout. Et le noyau
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extrêmement lourd, qui porte toute la masse, serait selon la nature chimique dont nous
parlerons, serait un ballon de hand ou un ballon de foot place du commerce.
Donc vous voyez, la taille de l’atome qui est tout matérialisé par une dimension comme le
périph et toute la masse est concentrée à l’intérieur d’un petit ballon au centre de la place du
commerce. Un noyau en général, je passe au deuxième niveau de complexité de la nature, est
un empilement lui-même, comme le proton était fabriqué à partir des quarks et des gluons,
un noyau est un empilement de protons et de neutrons. Le nombre de protons qu’il y a
l’intérieur d’un noyau est égal au nombre d’électrons. Les protons sont positifs, les électrons
sont négatifs ce qui fait que l’ensemble est neutre. Tant mieux parce que sinon les atomes
n’arriveraient pas à s’approcher les uns des autres. Les neutrons eux sont neutres, ne jouent
pas de rôle au niveau de la neutralité électronique, ce qui fait qu’on peut en rajouter entre
guillemets autant qu’on veut à un noyau donné.
Un noyau est donc caractérisé par son nombre de protons et ce nombre de protons
caractérise l’espèce chimique. A partir du moment que je sais combien il y a de protons dans
un noyau, donc de protons dans l’atome associé et bien je sais si c’est de l’hydrogène, si c’est
du fer, si c’est de l’uranium, si c’est de l’oxygène.
Les neutrons sont là pour diverses raisons ils assurent une meilleure cohésion du noyau luimême mais selon le nombre de neutrons que l’on rajoute à un noyau, on fabrique un noyau
frère qui sera toujours un noyau de fer si je parle de fer, mais on appelle ça un isotope.
Donc le fer peut être constitué toujours du même nombre de protons, mais d’un nombre de
neutrons différents, ça donne des propriétés différentes nous y viendrons un petit peu plus
loin. Et cette chaîne de fer s’appelle une chaîne isotopique.
Des espèces chimiques, c’est-à-dire les différents empilements avec des nombres de
protons différents il y en a une petite centaine. Lorsque je passe aux isotopes c’est-à-dire que
je mets un petit grain de sel ou un petit grain de neutrons supplémentaire à l’intérieur d’un
noyau, est bien dans ce cas là je peux aller jusqu’à 500 ou 600 éléments différents, noyaux
différents.
Comment le noyau a-t-il été découvert ? Petite anecdote le noyau vous avez vu est un objet
très lourd au centre d’un grand vide, au centre de Nantes. Imaginons maintenant, et c’est
l’expérience de Rutherford du début du siècle, que vous tiriez avec une balle voire un canon
sur une meule de foin. Qu’est-ce que vous attendez ? Vous attendez essentiellement à ce que
la balle ou que le boulet traverse la meule de foin sans problème. Qu’a observé Rutherford
quand il a fait ça évidemment avec des particules, pas avec des balles et des canons, il a vu un
boulet de canon rebondir. On ne s’y attendait pas. Et ben c’est ça qui nous a fait comprendre
qu’à l’intérieur de la meule de foin qu’est l’atome, il y a des grains extrêmement durs et
extrêmement lourds que sont les noyaux. Voilà comment ils ont été découverts.
La force qui lie les particules à l’intérieur d’un noyau, les particules étant les protons et les
neutrons, n’est pas la force électrique. Sinon les protons se repousseraient, et il n’y aurait pas
de liaison. C’est une nouvelle force qui n’existe pas à notre échelle que l’on appelle
l’interaction forte. Elle est très, très forte par rapport à la force électrique mais de très
courte portée 1 millionième de milliardième de mètre, ce qui vous donne grosso modo la
dimension d’un noyau.
Pourquoi un noyau existe-t-il ? Pourquoi un empilement de protons et de neutrons est-il
stable ? Il est stable parce que la masse de l’objet complexe que l’on fabrique, ou le poids si
vous voulez, la masse est un terme plus juste, est inférieure à la somme des masses des
constituants. Quand je les mets ensemble tous mes protons et mes neutrons, je fabrique un
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objet plus léger que, à l’origine, était la masse des constituants. Et c’est ça qui assure la
stabilité de l’atome. Si la masse de l’objet ainsi formé n’est pas inférieure à la masse des
constituants, dans ce cas-là on n’arrive pas à fabriquer un état lié.
On appelle noyau où est allié un objet dont la masse est inférieure à la masse des constituants.
Ça ne veut pas dire qu’il est stable, ça ne veut pas dire qu’il est stable, mais il est lié au sens
que sa masse est inférieure à celle des constituants. Le plus lourd que l’on arrive à fabriquer
est un petit peu au-dessus de l’uranium mais dans la nature le plus lourd est l’uranium parce
que les autres sont radioactifs et on va y venir.
Parce qu’au bout d’un moment, et c’est pour ça que le nombre de noyaux est fini, la masse
n’arrive pas être inférieure à la masse des constituants. On a compris qu’elle était la définition
d’un noyau comme je l’ai dit ça ne veut pas dire que le noyau est stable, il peut se casser, il
peut disparaître, il peut plus ou moins vite, c’est intéressant, plus ou moins vite se désintégrer
ou fissionner.
Qu’appelle-t-on la désintégration ? C’est qu’à l’intérieur d’un noyau, on peut de temps en
temps avoir un proton qui se transforme en neutron, ou un neutron qui se transforme en
proton. Ces particules protons et neutrons, dont on a vu au début que ce n’étaient pas des
particules élémentaires, peuvent avoir une vie, elles ne sont pas immuables. Et ces particules
élémentaires peuvent se désintégrer, changer de nature.
Et vous voyez très bien que si un proton se transforme en neutron, ou un neutron se
transforme en proton, le nombre de protons change à l’intérieur du noyau, donc la nature du
noyau change. C’est ce que l’on appelle une désintégration radioactive et lors d’une
désintégration radioactive : un noyau X devient un noyau Y, il y a changement de chimie. Ces
désintégrations proton en neutron s’appelle bêta plus et vous verrez que la radioactivité bêta
plus est un élément important en médecine nucléaire et lorsqu’un neutron se transforme en
proton c’est bêta moins et c’est également important au niveau de certains traitements en
médecine nucléaire.
Le responsable de cette désintégration n’est pas la force de cohésion à l’intérieur du noyau
que j’ai appelé toute à l’heure l’interaction forte, mais c’est une autre force de la nature, une
troisième force de la nature, la quatrième étend la gravité dont je ne parlerais pas, une
troisième force de la nature, troisième force qui s’appelle l’interaction faible. Il existe
d’autres radioactivités : un noyau à l’intérieur d’un noyau il peut y avoir non seulement un
proton qui se transforme en neutron, ou un neutron qui se transforme en proton et
quelquefois un noyau peut émettre une particule alpha.
Une particule alpha c’est un mot ancien pour dire un noyau d’hélium c’est-à-dire un agrégat
de deux protons et de deux neutrons. L’émission d’une particule alpha, donc qui fait de
nouveau changer le nombre de protons à l’intérieur du noyau, fabrique un nouveau noyau et
l’émission d’une particule alpha s’appelle la radioactivité alpha. Cette émission de particules
alpha est un genre de mini-fission c’est-à-dire un noyau de départ se transforme en un gros
noyau fils plus un tout petit noyau fils qui est une particule alpha. Historiquement on appelle
ça la radioactivité alpha. Aujourd’hui on pourrait très bien appeler ça une mini-fission.
A côté des mini-fissions, il y a également des grosses fissions où un noyau donné
spontanément ou sous l’effet d’un choc, mais certains spontanément, peuvent se casser en
deux gros noyaux évidemment plus petits que le parent et c’est ce qu’on appelle d’une façon
générale la fission.
Cette brisure contribue à la création de nouveaux éléments, nouveaux éléments qui sont
toujours des noyaux parce que leur masse est inférieure à la masse de l’ensemble des
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constituants. Evidemment, toutes les radioactivités bêta, bêta plus, alpha ainsi que les
fissions, ne sont possibles que si elles sont autorisées énergétiquement, c’est-à-dire si les
états finals sont plus légers que les états initiaux. Car si l’état final est plus lourd que l’état, si
les états finals sont plus lourds que les états que l’état initial évidemment il faut que je paye,
il faut que j’apporte de l’énergie pour y arriver. Alors que sinon c’est gratuit. C’est tellement
gratuit quelquefois, par parenthèse, que l’état final est plus léger que l’état parent et la
différence de masse peut être récupérée sous forme d’énergie et, par parenthèse, c’est comme
cela que fonctionne une centrale nucléaire.
Dernier point et qu’on récupère l’énergie nucléaire pour fabriquer de l’électricité. Dernier
point : où sont fabriqués ces noyaux ? Dans la nature, lors de l’explosion initiale, ont été
fabriqués essentiellement les protons et les neutrons, un petit peu d’hélium aussi. Le reste
ensuite par l’interaction gravitationnelle s’est agrégé pour fabriquer des étoiles, à l’intérieur
de ces étoiles un certain nombre de réactions nucléaires se forment, ont lieu, et c’est à
l’intérieur des étoiles que sont fabriqués tous les noyaux par réactions nucléaires, par brûlage
du combustible, si vous voulez, tous les noyaux jusqu’au fer. Ceux au-dessus du fer sont
fabriqués par un autre mécanisme lors de la mort de l’étoile, lors de son explosion finale il
existe des réactions nucléaires qui permettent de fabriquer ceux qui sont plus lourds que le
fer. Tous les noyaux que nous avons sur Terre qui nous entourent, ont été fabriqués dans ces
grandes fournaises stellaires et dans leur mort. Il existe d’autres petits processus dans
lesquels je ne rentrerais pas. Donc vous voyez que la radioactivité est une propriété
essentielle des noyaux liés à la structure des noyaux elle-même et à partir du moment qu’un
noyau est radioactif, l’atome qu’il fabrique avec son cortège électronique devient un atome
radioactif.
Donc vous comprenez, vous voyez là un bref aperçu de la structure de la matière ordinaire
évidemment les grands challenges aujourd’hui sont d’essayer de comprendre où est, et de
quoi est constitué 96% du contenu énergétique de l’univers qui n’est pas de la matière
ordinaire, la matière ordinaire c’est les étoiles et les gaz interstellaires, la Terre, les planètes.
Il existe d’autres matières : la matière noire, il existe d’autres contenus énergétiques :
l’énergie noire, mais ceci fait partie des grands sujets de recherche non encore résolus et que
peut-être, comme le 20ème siècle pour la structure de la matière ordinaire, le 21ème y apportera
une explication. Merci
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