Trois forces en action dans le noyau et leur hiérarchie
Trois types de forces entrent en compétition dans le noyau. La principale est la force ou interaction nucléaire dite interaction forte qui assure la cohésion des noyaux car est attractive. Elle est responsable aussi de la radioactivité alpha. La seconde, appelée interaction électromagnétique, est répulsive mais moins intense. La troisième force est appelée interaction faible. Ni attractive, ni répulsive, elle agit à l’intérieur même des nucléons. Elle transforme une espèce de nucléon (proton ou neutron) dans l’autre espèce et vice-versa, provoquant la radioactivité bêta. La stabilité ou l’instabilité d’un noyau sont le résultat de la compétition entre ces trois interactions.
Le noyau est pratiquement incompressible. En son sein, protons et neutrons sont en contact comme les molécules d’un liquide.
Interaction forte : une colle nucléaire …
La cohésion de la matière nucléaire est assurée par une attraction extrêmement intense qui l’emporte sur la répulsion due à la charge électrique des protons. Cette interaction forte est à courte portée. A distance d’un noyau, un proton ou un neutron ne la ressentent pas. L’attraction se fait fortement sentir dès que le nucléon (ici un neutron) entre en contact avec le noyau. Il est alors capturé. Cette colle nucléaire a été représentée sur la figure enrobant nucléons et les noyaux.
© IN2P3
Ils tiennent ensemble sous l’effet d’une interaction de contact, appelée « nucléaire » ou forte, car il s’agit de la force dominante. Bien qu’extrêmement intense, l’interaction nucléaire est restée longtemps insoupçonnée, parce qu’elle est à très courte portée. Elle le serait encore, sans la découverte en 1896 de la radioactivité. Cette courte portée se manifeste par le fait que des neutrons peuvent passer au voisinage immédiat d’un noyau sans être capturés.
La répulsion électromagnétique des protons
Deux charges électriques de même signe se repoussent. Cette répulsion varie en raison inverse de la distance selon la loi de Coulomb. Les protons (en bleu) sont soumis à cette répulsion dans le noyau, contrairement aux neutrons (en rouge) dépourvus de charge électrique qui ne subissent pas la « répulsion coulombienne ». Sans les forces nucléaires qui combattent la répulsion des protons, le noyau exploserait. Il faut que ces forces soient très intenses pour arriver à confiner les protons dans un volume aussi petit que le noyau.
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Des forces de répulsion électromagnétiques s’exercent dans le noyau entre charges électriques
de même signe. Ces charges sont portées par les protons. Les protons étant pratiquement au contact, il faut que les forces nucléaires attractives soient très intenses pour vaincre la répulsion de ces charges confinées dans une minuscule sphère dont le rayon est de quelques millionièmes de milliardième de mètre.
La troisième force présente dans le noyau est une force discrète, comme son nom de force faible l’indique, mais qui joue un rôle fondamental dans l’univers. Sans la « force faible », le soleil s’arrêterait de briller parce qu’il ne pourrait pas fusionner l’hydrogène en deutérium. En rendant possible, si le bilan énergétique le permet, la transformation d’un proton en neutron ou inversement, la force faible permet la radioactivité bêta. Elle réduit le nombre de noyaux stables. Sur la carte des noyaux, elle rassemble tous les noyaux au fond de la vallée de stabilité.
Forces faibles : à l’origine des désintégrations bêta
L’exemple du tritium, le plus simple des noyaux radioactifs, montre comment la nature à recours aux forces faibles pour transformer un neutron en proton, et modifier le rapport entre les deux espèces de nucléons. L’expulsion d’un des deux neutrons du tritium, coûteuse en énergie, n’est pas possible. Par contre, la désintégration d’un neutron en proton accompagné d’un électron bêta et d’un antineutrino, libère un peu d’énergie. Cela suffit pour que le tritium soit radioactif. C’est la force faible qui rend le tritium instable.
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Sans l’intervention des forces faibles, nous aurions bien davantage que 287 nucléides « naturels » dans notre environnement. Sans elles pour corriger un excès de protons ou de neutrons dans un noyau, il faudrait avoir recours à l’expulsion d’un proton ou d’un neutron, une alternative coûteuse en énergie (plusieurs millions d’électronvolts) et interdites à la plupart des noyaux. En l’absence du recours à la radioactivité bêta ces noyaux radioactifs deviendraient stables.
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