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

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[[File:Energy levels.svg|vignette|Niveaux d'énergie 'paliers) possibles pour le noyau.]]
 
Les '''isomères nucléaires''' sont deux atomes avec le même nombre de protons et de neutrons, mais pas la même énergie. L'énergie d'un noyau ne varie pas continumentcontinûment, comme l'énergie d'un objet classique, mais est quantifiée, à savoir qu'elle évolue par paliers successifs. Cette particularité ne s'explique convenablement qu'avec la physique quantique et il n'y a pas d'explication classique. Parmi tous les paliers possibles, il y en a un qui correspond à l'état d'énergie minimal, celui où le noyau ne peut pas descendre plus bas. Ce palier est appelé l''''état fondamental'''. Les nucléides qui ne sont pas à l'état fondamental sont plus énergétiques que les autres et sont dits en '''état excité'''. Certains nucléides naissent directement en état excité, à la suite d'une réaction nucléaire ou lors d'une désintégration radioactive. D'autres noyaux sont initialement à l'état fondamental mais montent d'un ou plusieurs paliers en absorbant de l'énergie (en absorbant un photon ou sous l'effet de l'absorption thermique, par exemple). Les noyaux excités peuvent aussi redescendre d'un ou plusieurs paliers en perdant de l'énergie. Quand cela arrive, l'énergie perdue est émise du noyau sous la forme d'un photon, de lumière. Nous en reparlerons dans le chapitre sur la radioactivité, quand nous parlerons de la radioactivité gamma.
 
===Les isobares===
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[[File:Isotope CNO.svg|centre|vignette|upright=2.0|Isotopes du Carbone, de l'Azote et de l'Oxygène.]]
 
Historiquement, l'existence des isotopes a rapidement été suggéré, avant même qu'on connaisse l'existence du noyau atomique ! Dès 1886, William Crookes a supposé que les atomes d'un même élément n'ont pas tous la même masse. Cette hypothèse visait à expliquer les résultats des mesures des masses atomiques, qui variaient selon les auteurs et les conditions expérimentales. Mais cette piste a été accueillie assez fraichementfraîchement, par manque de preuves expérimentales. Mais les preuves ont commencé par s'accumuler et l'existence des isotopes s'est imposée progressivement. En 1914, Boltwood remarqua que du Plomb est presque toujours associée à la Pechblende (un minerai d'Uranium). Frederic Soddy suppose, à juste titre, que le Plomb provient de la désintégration de l'Uranium et prédit (sur la base de sa loi de déplacement radioactif) que sa masse atomique doit être de 206. Il prédit, sur la base d'arguments similaires, que le Plomb tiré de la Thorite uranifère doit être de 208. Les deux formes de Plomb, provenant de désintégrations différentes, doivent avoir des poids atomiques différents. Vu que le poids atomique moyen du Plomb est de 207,2, il suppose que le Plomb est composé de deux isotopes : un avec A = 206 et un autre avec A = 208, les proportions donnant une moyenne de 207,2. La pesée expérimentale, réalisée par Theodore Richards et Max Lembert, confirme ces prédictions.
 
Par la suite, Aston découvrit que des atomes non-radioactifs ont aussi des isotopes. Pour cela, il ionise du Néon et accélère les ions ainsi créés via un champ électromagnétique. Ceux-ci sont ensuite envoyés sur une plaque photographique, le point d'impact sur la plaque dépendant du rapport énergie/masse. Si le Néon n'a qu'un seul isotope, on ne devrait observer qu'un seul point d'impact. Mais si le Néon n'a que deux isotopes, on doit observer deux point d'impact. L'expérience montre deux points d'impact, prouvant que le Néon possède majoritairement deux isotopes : un d'une masse atomique de 20 et un autre d'une masse atomique de 22. De plus, l'analyse de résultats montre que 90% du Néon a un A = 20 et 10% de A = 22. Cela permet de retrouver le masse atomique obtenue par les mesures précédentes, qui donnaient une masse atomique de 20,2 pour le Néon.
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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.
 
On vient de voir que le spin est quantifié, à savoir qu'il ne peut prendre que des valeurs bien précises, ici entière ou demi-entières. Mais on peut aller plus loin : le moment orbital est lui aussi quantifié. Et par corolairecorollaire, le moment cinétique total aussi. Dans le détail, une formule de la mécanique quantique nous dit que le moment cinétique J, S ou L mesuré sur un axe, pour un objet, vaut :
 
: <math>J_x = \hbar \cdot j</math>, avec j un entier quelconque.
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