Noyau atomique
Le noyau contient les protons et les neutrons — les nucléons — et porte presque toute la masse de l’atome dans un volume minuscule. Sa composition se lit immédiatement avec deux entiers : le numéro atomique Z et le nombre de masse A.
La notation d’un nucléide rend les comptes explicites
N = A − Z
Z compte les protons et fixe l’identité chimique de l’élément. A compte tous les nucléons. Deux noyaux de même Z mais de nombres de neutrons différents sont des isotopes du même élément.
Par exemple, ¹⁴C possède Z = 6, donc 6 protons et N = 14 − 6 = 8 neutrons.
L’échelle de taille du noyau
R ≈ r₀A1/3, avec r₀ ≈ 1,2 fm.
Le rayon nucléaire est de l’ordre du femtomètre, 10⁻¹⁵ m, très inférieur à la taille d’un atome, de l’ordre de 10⁻¹⁰ m. La dépendance A1/3 indique une densité nucléaire approximativement constante pour de nombreux noyaux.
Le noyau n’est donc pas une version miniature de l’atome : les interactions dominantes et les échelles d’énergie y sont très différentes.
Liaison et défaut de masse
La masse d’un noyau lié est inférieure à la somme des masses de ses nucléons séparés. La différence Δm correspond à l’énergie de liaison : Eb = Δmc².
Il faut fournir cette énergie pour dissocier complètement le noyau en nucléons libres. Inversement, la formation d’un état lié libère de l’énergie.
La stabilité ne dépend pas d’un seul nombre
Un rapport neutrons/protons adapté, l’énergie de liaison, les effets de couches quantiques et la répulsion coulombienne participent tous à la stabilité. Les noyaux lourds ont généralement besoin d’une proportion plus grande de neutrons pour atténuer l’importance relative de la répulsion entre protons.
Un noyau peut être fortement lié tout en étant radioactif si une autre configuration accessible est énergétiquement plus favorable et qu’une voie de désintégration est permise.
Exercices résolus
1. Compter les neutrons
Combien de neutrons possède ²³⁸U, sachant que Z = 92 ?
Solution
N = 238 − 92 = 146 neutrons.
2. Isotopes
¹²C et ¹⁴C appartiennent-ils au même élément ?
Solution
Oui. Ils ont le même Z = 6 mais des nombres de neutrons différents.
3. Rayon relatif
Si A est multiplié par 8, par quel facteur le rayon nucléaire approximatif change-t-il ?
Solution
R ∝ A1/3 : 81/3 = 2.