« Le noyau atomique/La cohésion du noyau » : différence entre les versions

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==La vallée de stabilité==
 
Le graphique précédent illustre l'énergie de liaison en fonction du nombre de masse. Mais on peut aussi regarder ce qui se passe en fonction du nombre de protons et de neutrons. Le graphique ci-dessous représente l'énergie de liaison (représentée par des couleurs), en fonction du nombre de neutrons (abscisse) et de protons (ordonnée). On voit que les noyaux stables sont rassemblés sur une zone assez petite, appelée la: '''vallée de stabilité'''. Elle est proche de la droite où <math>Z = N</math>, avec cependant une petite inflexion vers le haut de la courbe, qui tend à rabaisser la courbe. En clair, les noyaux stables ont un nombre de protons et de neutrons assez équilibré, presque égal. Les noyaux avec un excès de protons par rapport aux neutrons sont instables, de même que les noyaux avec un déficit majeur en protons. Cependant, pour les noyaux avec beaucoup de nucléons, on observe un léger excès de neutrons par rapport aux protons, qui est suffisant pour infléchir légèrement la zone de stabilité.
 
[[File:BindingNuDat2.png|centre|vignette|upright=2.5|Énergie de liaison en fonction du nombre de protons et de neutrons.]]
 
La seule déduction possible est que l'énergie de liaison dépend du rapport entre nombre de protons et de neutrons. Cette dépendance reflète l'implication de deux processus distincts : l'interaction électrostatique entre protons, qui se repoussent, et un processus quantique assez compliqué à décrire.
* Si on pouvait supprimer l’influence de l'interaction électrostatique, les noyaux les plus stables seraient ceux avec un nombre de protons identique au nombre de neutrons. La raison est que neutron et proton sont presque identiques, les seules différences étant leur charge électrique et une faible différence de masse qu'on peut négliger. Au niveau du formalisme de mécanique quantique, on peut les voir comme deux versions d'une même particule appelé le nucléon quantique. Celui-ci peut prendre deux états différents : un chargé qui correspond au proton et un autre qui est le neutron. Ces deux états se distinguent par un nombre quantique, appelé l''''isospin''', qui est de <math>\frac{1}{2}</math> pour le neutron et de <math>- \frac{1}{2}</math> pour le proton. Si on assemble plusieurs nucléons ensemble, l'isospin est la somme des isospinisospins de chaque nucléon. Or, une énergie est associée à l'isospin et les calculs nous disent que celle-ci est minimale si l'isospin du noyau est nulle, ou du moins la plus faible possible. Ce qui n'est possible que pour un nombre égal de protons et de neutrons. On en déduit que les noyaux les plus stables sont ceux avec autant de protons que de neutrons.
* Mais l'équilibre d'isospin est contrarié par la charge électrique des protons : ceux-ci possèdent la même charge positive, ce qui fait qu'ils se repoussent. Cela ajoute de l'énergie au noyau, réduisant sa stabilité. Un noyau avec trop de protons va exploser de l'intérieur sous l'effet de la répulsion proton-proton. La stabilité maximale est obtenue via un compromis entre la répulsion électrostatique et l'équilibre d'isospin.
 
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[[File:Valley of Stability Parabola 2.jpg|vignette|upright=2.0|Énergie de liaison pour les noyaux avec 125 nucléons.]]
 
AÀ l'intérieur de la vallée de stabilité, les physiciens ont remarqué que l'énergie de liaison ne varie pas continument et que certains noyaux sont beaucoup plus stables que les autres. Pour en donner un exemple, regardons l'énergie de liaison pour tous les atomes de nombre de masse égal à 125, illustrée dans le graphique ci-contre. On voit qu'elle atteint un maximum aux alentours de 50 protons. Si on réitère l'analyse pour un nombre de masse autre que 125, on observe un résultat identique : les noyaux avec 50 protons semblent plus stables que les autres.
 
===Les nombres magiques===
 
Après de nombreuses études, les physiciens ont remarqué que les noyaux leles plus stables sont ceux avec un nombre de protons ou de neutrons égal à 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126. Ces valeurs sont appelées des '''nombres magiques'''. On peut citer, par exemple :
 
* l'oxygène (8 protons) ;
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* le deutérium (2 neutrons).
 
Et les noyaux pour lequel le nombre de protons et le nombre de neutrons sont des nombres magiques sont encore plus stables que les autres : ils sont ditdits '''doublement magiques'''. On pourrait par exemple citer
 
* l'hélium 4 (2 protons et 2 neutrons) ;