Introduction - Laboratoire de Physique des Hautes Energies

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Noyaux, particules et interactions
v 3.1 V 2005
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D + T = He + n + Energie
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Introduction
Le début du XX siècle a été consacré à l'étude des atomes
et à la découverte du comportement "quantique" du monde
sub-microscopique.
La découverte du noyau et l'étude de sa structure et dynamique
a été au coeur des études de la physique nucléaire qui a eu son
apogée dans les années 40-60.
En même temps, un zoo de particules est apparu au physicien,
accompagnées par des processus de désintégration qui étaient
le témoignage de nouvelles sortes d'interaction:
en plus de l'interaction e.m. et gravitationnelle, l'interaction
faible a été introduite pour expliquer la désintégration du neutron
et l'interaction forte pour expliquer la liaison nucléaire d'abord,
et, plus tard, des quarks dans le proton et neutron.

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Le noyau
L'expérience de Rutherford, effectuée avec des
projectiles de plus en plus rapides, montre une
déviation importante de la valeur théorique,
obtenue pour un noyau ponctuel, quand la
distance d'approche est de l'ordre du fm.
On a pu établir une formule approchée pour le rayon
quadratique moyen d'un noyau de poids atomique A
r ~ 1.4 A1/3 fm
Il est caractérisé par le poids A et la charge Z.
Le nombre de neutrons est A-Z.
ex: calculer la densité d'un noyau d'Al
r~ distance
d'approche
max
ex: calculer la distance d'approche pour un ! d'énergie
cinétique K, trajectoire de collision centrale.
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La radioactivité
A. H. Becquerel constate qu'un composé d'Uranium émet
des rayons invisibles, capables d'impressionner une émulsion
photographique.
P. et M. Curie montrent que le Polonium et le Radium sont
plus radioactifs que l'Uranium.
Les études montrent 3 types de radiation: une porte une charge
positive, une négative et une est neutre. On les appellera !, ", #.
B
source
écran
! "
#
On découvre aussi que les alpha
sont peu pénétrants dans la matière.
Les gamma sont les plus pénétrants.
Les énergies peuvent atteindre le MeV,
ce qui exclu des processus atomiques
(qui sont de l'ordre de l'eV )
D'autres forces sont donc en jeu !

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La radioactivité .2
Par la suite, on se rend compte que la radiation alpha n'est
rien d'autre que de l'He complètement ionisé, les " sont des
électrons et la radiation gamma des photons énergétiques.
Un exemple de réaction avec émission !:
!
92
238 U"90 234 Th +2 4He
Un exemple d'émission " est la désintégration du neutron libre
!
n"p+e#+$
Certain noyaux émettent des "% d'autres des "+
!
11
22 Na"10 22 Ne +e++#
Ce positon est émis avec une énergie cinétique max de 0.55 MeV
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Le temps de vie, la demi-vie
A t=0 on a un échantillon de N(0)=N0 noyaux radioactifs.
On aimerait connaître la forme de la fonction N(t).
Soit $ la probabilité pour ce type de noyaux de se désintégrer, par
unité de temps.
Au temps t, dans un intervalle dt, la variation du nombre de
noyaux dN(t) vaut:
!
dN(t) =" # N(t)dt
!
dN
dt (t) ="
# N(t)
La solution de cette équation différentielle donne:
!
N(t) =N0exp "#t
{ }
=N0exp "t / $
{ }
donc:

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Le temps de vie, la demi-vie .2
Temps de vie moyen
!
<t>= 1
N0
N(t)dt
t=0
t="
#=exp $t / %
{ }
dt
t=0
t="
#=$% exp $t / %
{ }
"
0=%
Temps de demi-vie: N(t demi-vie)=N0/2
!
1/2 =exp "#t1
2
{ }
ln(1/2) ="#t1
2
t1
2
=ln2
#=$ln2
Ex.: Carbone 14: demi-vie= 2.09 106 jours
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Masses nucléaires et énergie de liaison
La masse d'un noyau est en général plus petite que la
somme des masses de ses constituants:
!
6
12 C
6protons + 6neutrons = 12.0989 uma à comparer avec
la valeur réelle de 12.0000 uma.
Ce défaut de masse &m=0.0989 n'est rien d'autre que l'énergie
de liaison totale du noyau. Il faut l'énergie ' = &m c2 pour séparer
tous les constituants.
Une uma correspond à 931 MeV.
Pour le Carbone-12, on a donc 92.1 MeV au total.
Puisqu' il y a A=12 nucléons, l'énergie de liaison par nucléon
est de 7.7 MeV

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L'énergie de liaison
La cohésion des nucléons est due à la force nucléaire.
On voit que si l'on casse en
deux de l'Uranium, on gagne
de l'énergie. De même si l'on
assemble deux noyaux plus
légers que le Fer.
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Fission et fusion
D + T = He + n + Energie
fusion