Le noyau atomique/L'interaction nucléaire

Un livre de Wikilivres.
Sauter à la navigation Sauter à la recherche

Il n'est pas rare de trouver des nucléons isolés, en dehors de tout noyau, mais ce n'est pas la norme. La plupart se trouvent dans des noyaux atomiques et il faut fournir de l'énergie pour les en séparer De plus, les nucléons ont naturellement tendance à s'assembler en noyaux atomiques s'ils sont très proches. Ce phénomène est assez similaire, dans les grandes lignes, à la formation d'un atome à partir de noyaux et d'électrons. Dans le cas de l'atome, c'est la force électromagnétique qui fait qu'électrons et noyaux s'attirent au point de s'assembler en atomes. Pour la formation d'un noyau à partir de nucléons, c'est presque la même chose : les nucléons s'attirent au point de s'assembler en noyaux. Sauf que pour la formation des noyaux, l'interaction électromagnétique n'est pas en cause : les neutrons ne sont pas influencés par cette interaction, sans compter que les protons se repoussent vu qu'ils sont de même charge électrique. La gravité n'est pas non plus en cause : le calcul nous dit que les masses des nucléons sont trop faibles. On est bien obligé d'admettre qu'il existe une autre force qui attire les nucléons entre eux, la force nucléaire. Celle-ci agit sur les nucléons et quelques particules semblables nommées hadrons.

La force nucléaire[modifier | modifier le wikicode]

Graphique qui montre plusieurs résultats expérimentaux concernant la force nucléaire en fonction de la distance au nucléon.

Expérimentalement, la force nucléaire se moque de la nature des nucléons : à distance égale, cette force sera identique entre deux neutrons, deux protons, ou entre un proton et un neutron. Cette propriété est appelée l'indépendance à la charge de la force nucléaire. L'expérience montre que la force nucléaire peut être aussi bien attractive que répulsive : tout dépend de la distance entre les deux nucléons. Quand les deux nucléons sont extrêmement proches, la force nucléaire est fortement répulsive. En conséquence, le noyau atomique est presque incompressible : rapprocher deux nucléons demande une force énorme pour surcompenser la force nucléaire. Mais si les deux particules sont "loin", la force nucléaire est attractive.

Il est intéressant de remarquer que sur les longues distances, la force nucléaire diminue exponentiellement avec la distance. Par contre, la répulsion électromagnétique entre protons ne diminue pas aussi rapidement. À partir d'une certaine distance, la répulsion entre protons sera plus forte que la force nucléaire. Les physiciens en déduisent que les noyaux avec un grand nombre de protons peuvent plus facilement se briser ou perdre des nucléons. Certains pensent même qu'il existe une limite maximale au nombre de protons dans un noyau ou au rapport entre protons et neutrons.

Le potentiel nucléaire[modifier | modifier le wikicode]

La force nucléaire a des points communs assez forts avec la gravité, le magnétisme et l'électricité. Notamment, ces forces proviennent chacune d'une source : objet massif pour la gravité, charge électrique pour l'électricité, aimant pour le magnétisme, et nucléon pour la force nucléaire. De plus, ces forces fournissent une énergie potentielle aux objets sur lesquels elles agissent. Vous avez peut-être déjà entendu parler de l'énergie potentielle de gravitation/de pesanteur, ou encore de l'énergie potentielle électrostatique. Eh bien la même chose existe pour l'énergie nucléaire. Chaque nucléon influence les nucléons environnants en leur fournissant une énergie potentielle nucléaire, qui dépend de la distance avec la source (mais pas que). La force nucléaire vient du fait que les nucléons tentent de minimiser leur énergie potentielle et se déplacent vers l'endroit où elle est la plus faible, c’est-à-dire proche du nucléon à l'origine du potentiel. La forme du potentiel, à savoir sa relation avec la distance du nucléon, est illustrée avec le graphique suivant, qui montre la valeur du potentiel entre deux nucléons, exprimée en fonction de la distance qui les sépare.

Illustration du potentiel nucléaire (simplifié). On voit qu'il existe une distance idéale, qui minimise l'énergie des nucléons (notée Rmin), mais aussi une distance minimale liée au fait que les nucléons ne peuvent pas s'interpénétrer. Il existe une différence d'énergie (notée epsilon) entre un nucléon totalement libre, non-soumis à la force nucléaire, et un nucléon à la distance idéale.

Une bonne approximation du potentiel nucléaire est de dire qu'il est constant dans tout le noyau, sauf en périphérie où il diminue très rapidement avec la distance. La formule de Saxon-Woods donne une bonne approximation du potentiel nucléaire, avec :

  • le potentiel et est le potentiel au centre du noyau ;
  • est la distance par rapport au centre du noyau ;
  • est le rayon du noyau, dans la partie où le potentiel est constant ;
  • est la longueur sur laquelle le potentiel chute rapidement en périphérie.

Cette énergie potentielle est impossible à calculer à l'heure actuelle (début 2016), même si diverses théories en donnent une approximation convenable. On sait que la force nucléaire est une sorte de résidu de la force qui s'exerce entre les quarks et les gluons. Les quarks d'un même nucléon s'attirent entre eux, mais les spécificités de la force forte font que cette attraction déborde quelque peu des nucléons. Le résultat est qu'il apparait une force nucléaire entre nucléons. Une théorie complète de la force nucléaire doit donc être dérivée de la chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l'interaction forte, les quarks et les gluons. Mais certaines théories se passent de ce genre de fioritures et donnent des développements plus simples à comprendre.

La théorie de Yukawa[modifier | modifier le wikicode]

Illustration de la théorie de Yukawa. On voit que des processus ayant lieu à l'intérieur des nucléons donnent naissance à des mésons (des pions, des kaons et bien d'autres particules), qui passent d'un nucléon à l'autre. L'émission et l'absorption d'un de ces mésons transfère de l'énergie et de la quantité de mouvement du nucléon émetteur au nucléon récepteur, ce qui induit une attraction ou une répulsion.

Historiquement, le premier modèle du potentiel nucléaire crée par un nucléon a été inventé par Yukawa en 1935. Selon sa théorie, le nucléon source émet des particules qui servent d'intermédiaires pour la force nucléaire. Quand un nucléon environnant absorbe ces particules intermédiaires, il est attiré ou repoussé du nucléon source. La particule intermédiaire possède de plus une masse, ce qui fait que la force induite a une portée assez limitée. En élaborant cette idée dans le cadre de la physique quantique, Yukawa trouva la formule suivante pour le potentiel, où g est une constante, m est la masse de la particule intermédiaire et r est la distance entre les deux nucléons.

Après la publication de la théorie de Yukawa, les physiciens se mirent en quête de la particule intermédiaire. Les premiers soupçons se portèrent sur des particules comme le méson pion, le méson rho, le méson sigma, le méson oméga, etc. Mais les propriétés de ces particules donnaient une force nucléaire soit totalement attractive, soit totalement répulsive : aucune ne donnait une force nucléaire attractive à longue distance et répulsive à faible distance. De nos jours, on pense qu'il existerait plusieurs types de particules intermédiaires. La répulsion à courte distance provient des mésons rho et sigma, l'attraction à courte distance provient des mésons oméga, et l'attraction à longue distance provient des mésons phi (les pions).