Le noyau : stabilité, désintégrations et énergie
Carte des nucléides, courbe d'Aston, fission et fusion
§1.Nucléons, isotopes et notation
- Notation ᴬ𝗓X
- Un noyau est décrit par son numéro atomique Z (le nombre de protons, qui donne l'élément chimique) et son nombre de masse A (le nombre total de nucléons). Le nombre de neutrons est N = A − Z.
- Exemple. ¹⁴₆C : 6 protons (c'est du carbone), 14 nucléons au total, donc 8 neutrons.
- Isotopes
- Deux noyaux de même Z (même élément) mais de N différents. Ils ont les mêmes propriétés chimiques mais des comportements nucléaires opposés : ¹²C est stable, ¹⁴C est radioactif.
- L'interaction forte
- Les protons se repoussent (tous positifs). Ce qui tient le noyau, c'est l'interaction forte, très intense mais de très courte portée : elle ne lie que les nucléons voisins immédiats.
§2.La vallée de stabilité
Si on place tous les noyaux connus sur une carte (N en abscisse, Z en ordonnée), les noyaux stables ne sont pas dispersés au hasard : ils forment une bande étroite, la vallée de stabilité. Tout ce qui en sort se désintègre pour y revenir.
Pour les noyaux légers, la vallée suit la diagonale N = Z : autant de protons que de neutrons. Mais à mesure que Z augmente, la répulsion électrique entre protons grandit (elle agit à longue distance, contrairement à l'interaction forte). Il faut alors un excès de neutrons pour « diluer » cette répulsion : la vallée s'écarte de la diagonale vers le bas.
Un noyau qui a TROP DE NEUTRONS est au-dessous de la vallée : il émet un électron par radioactivité β− (un neutron devient proton), et remonte en diagonale (N−1, Z+1). Un noyau qui a TROP DE PROTONS fait l'inverse par β+ (N+1, Z−1). Enfin, les noyaux très lourds (Z > 82) sont trop gros pour tenir : ils éjectent un bloc entier ⁴₂He — c'est la radioactivité α (Z−2, N−2, donc A−4).
§3.Énergie de liaison et courbe d'Aston
L'énergie de liaison du noyau correspond à son défaut de masse, via la relation d'Einstein.
Variables
- Énergie de liaison (à fournir pour dissocier le noyau)- J ou MeV
- Défaut de masse : Z·m_p + N·m_n − m_noyau- kg ou u
- Célérité de la lumière- 3,00 × 10⁸ m/s
- -Un noyau est TOUJOURS plus léger que la somme de ses nucléons séparés : la masse manquante est l'énergie qui les lie.
- -Ce qui compte pour comparer deux noyaux, c'est E_l/A, l'énergie de liaison PAR nucléon : plus elle est grande, plus le noyau est solide.
- -La courbe d'Aston (E_l/A en fonction de A) monte vite, culmine vers le fer 56 / nickel 62 (≈ 8,8 MeV/nucléon), puis redescend lentement.
À retenir
- Notation ᴬ𝗓X : A = nucléons, Z = protons, N = A − Z neutrons. Isotopes = même Z, N différent.
- Les noyaux stables forment la vallée de stabilité : N = Z pour les légers, excès de neutrons pour les lourds.
- β− (trop de neutrons) : N−1, Z+1. β+ (trop de protons) : N+1, Z−1. α (noyaux lourds) : Z−2, N−2, A−4.
- Énergie de liaison E_l = Δm·c² ; comparer les noyaux avec E_l/A.
- La courbe d'Aston culmine vers Fe-56 / Ni-62 : fusion des légers et fission des lourds libèrent toutes deux de l'énergie.
- Lois de Soddy : conservation de A et de Z dans toute équation nucléaire.