Différences entre les versions de « Le noyau atomique/Le noyau atomique : propriétés, constituants, description »

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Comme toutes les particules, le noyau tourne sur lui-même, ce qui lui donne un moment cinétique intrinsèque appelé le spin (pour rappel, le moment cinétique est une quantité conservée qui est aux rotations ce que l'impulsion mv est aux translations). Le spin du noyau est un vecteur dont la direction est l'axe de rotation du noyau et dont la norme est la vitesse de rotation. Le spin du noyau est la somme des moments cinétiques des protons et neutrons, de la même manière que le spin d'un nucléon est la somme des moments cinétiques des quarks qui le composent.
 
===Le moment cinétique du noyau===
Le spin des nucléons a une grande importance dans la structure de l'intérieur du noyau. Pour comprendre pourquoi, faisons quelques rappels sur les bosons et fermions. Les bosons sont des particules dont le spin ne peut prendre qu'une valeur entière, comme 0, 1, 2, 3, 4, etc. A l'inverse, les fermions ont des spin fractionnaires, et plus précisément des spins qui sont de la forme <math>n + \frac{1}{2}</math>. Cette distinction entre bosons et fermions est de première importance. Divers résultats en physique quantique et en physique statistique montrent que les deux types de particules se comportent très différemment dans de nombreuses situations. Les protons et neutrons sont tous des fermions, dont le spin ne peut valoir que deux valeurs : <math>+ \frac{1}{2}</math> et <math>- \frac{1}{2}</math>. Diverses théories disent que les nucléons s'assemblent en couples dans le noyau, qui se comportent comme des bosons. Et cela a un grand impact dans les théories de la structure nucléaire.
 
Un nucléon a deux moments cinétiques : un spin lié au fait qu'il tourne sur lui-même, et un moment cinétique angulaire lié au fait qu'il tourne autour du centre du noyau. Pur faire une comparaison, prenons le moment angulaire de la planète Terre : d'un coté elle tourne autour du Soleil, de l'autre elle tourne sur elle-même. On peut donc lui attribuer deux moments cinétiques : un moment cinétique intrinsèque lié à la rotation, et un moment cinétique angulaire lié à sa révolution autour du Soleil. Pour un nucléon dans le noyau, c'est pareil, sauf que le nucléon tourne sur lui-même et autour du centre du noyau. Ces deux moments cinétiques sont des vecteurs, dont la direction est l'axe de rotation/révolution, et la norme la vitesse de rotation/révolution. Le moment cinétique total d'un nucléon est la somme vectorielle de ces deux moments angulaires. En notant le spin d'un nucléon <math>s_n</math>, son moment angulaire <math>g_n</math> et <math>l_n</math> son moment angulaire, on a :
 
: <math>I = \sum^{n} \vec{l_n} = \sum^{n} \left( \vec{s_n} + \vec{g_n} \right)</math>
 
Le spin des nucléons a une grande importance dans la structure de l'intérieur du noyau. Pour comprendre pourquoi, faisons quelques rappels sur les bosons et fermions. Les bosons sont des particules dont le spin ne peut prendre qu'une valeur entière, comme 0, 1, 2, 3, 4, etc. A l'inverse, les fermions ont des spin fractionnaires, et plus précisément des spins qui sont de la forme <math>n + \frac{1}{2}</math>. Cette distinction entre bosons et fermions est de première importance. Divers résultats en physique quantique et en physique statistique montrent que les deux types de particules se comportent très différemment dans de nombreuses situations. Les protons et neutrons sont tous des fermions, dont le spin ne peut valoir que deux valeurs : <math>+ \frac{1}{2}</math> et <math>- \frac{1}{2}</math>. Diverses théories disent que les nucléons s'assemblent en couples dans le noyau, qui se comportent comme des bosons. Et cela a un grand impact dans les théories de la structure nucléaire.
 
===Le moment magnétique du noyau===
 
Du fait de sa rotation et de sa charge, le noyau se comporte comme un aimant. En effet, une particule chargée qui tourne sur elle-même génère un champ magnétique. On s'attend donc à ce que le noyau aie un champ magnétique crée par la conjonction de sa charge et de son spin. Pour décrire l'aimantation du noyau, on lui donne un '''moment magnétique''', un vecteur dont la direction est celle de l'axe nord-sud de l'aimant, et la norme est l'intensité du champ magnétique. Moment magnétique <math>\mu</math>, charge <math>Q</math> et moment cinétique <math>I</math> sont reliés par l'équation suivante :
 
: <math>\vec{\mu} = \frac{Q \hbar}{2 m} \vec{l}</math>
 
On peut récrire cette équation comme suit :
 
: <math>\vec{\mu} = M \cdot \vec{l}</math>, avec <math>M = \frac{Q \hbar}{2 m}</math> le '''magnéton nucléaire'''.
 
===Les moments électriques du noyau===
 
La répartition des charges électriques dans le noyau est rarement homogène, ce qui fait que l'on peut observer des déviations par rapport à la loi de Coulomb. Si on est éloigné du noyau, on peut considérer que sa charge est ponctuelle et a loi de Coulomb s'applique à la perfection. Mais si on s'approche, la répartition inhomogène des charges change la donne et on observe de petites déviations. Ces déviations sont la somme de ce qu'on appelle des ''moments électriques''. Le plus connu est le dipôle électrique, qui est composé d'une charge positive et d'une charge négative espacés d'une distance non-nulle. Mais il existe aussi des tri-pôles (trois charges séparées), des quadrupôles (champ crée par quatre charges séparées), etc. Si on prend le champ électrique d'un noyau, on peut le voir comme la somme d'un champ qui suit la loi de Coulomb, du champ en <math>1 \over r^3</math> crée par un dipôle électrique, d'un champ en <math>1 \over r^4</math> d'un tri-pôle, d'un champ en <math>1 \over r^5</math> d'un quadrupôle, etc. Les moments électriques dépendent fortement de la forme du noyau. Si celui-ci est sphérique, on n'observe que le champ de la loi de Coulomb, sauf quand on est très près du noyau. Mais si le noyau est déformé, on observe une contribution quadrupolaire, éventuellement d'autres moments électriques. Par exemple, un noyau de forme ovale a de bonne chances d'avoir un moment quadrupolaire, sauf si les charges sont exceptionnellement bien réparties.
 
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