Le noyau, cœur de l’atome

Toute la matière, ou presque, se retrouve concentrée dans de minuscules noyaux 100000 fois plus petits que l’atome, mais environ 4000 fois plus lourds que le cortège de leurs électrons. Les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, deux espèces de particules qui jouent un rôle très similaire dans la matière nucléaire. L’habitude est de regrouper protons et neutrons sous l’ appellation commune de « nucléons ». Alors que l’électron peut être considéré comme un corpuscule élémentaire, les protons et neutrons qui sont constitués de corpuscules plus petits, les quarks, ne le sont pas.

L’existence des quarks s’est imposée depuis les années 1970. Dans le domaine de la physique nucléaire qui est celui de la radioactivité, l’habitude était de considérer les nucléons comme les constituants élémentaires du noyau. Pour simplifier, nous conserverons cette convention, ne faisant allusion à la structure interne des nucléons et aux quarks que lorsque c’est nécessaire.

La représentation classique d’un noyau est celle d’un assemblage compact de protons et de neutrons, caractérisé principalement par deux nombres : Z le nombre de protons et N le nombre de neutrons. Le nombre total de nucléons A est la somme des deux : A=N+Z. Comme les protons et neutrons ont pratiquement la même masse, A est en proportion de la masse du noyau, alors que le nombre Z est en proportion de sa charge électrique.

Depuis l’origine, l’habitude est de réprésenter le noyau sous la forme d’un sorte de framboise composée de deux sortes de grains. La physique nucléaire moderne en donne une image moins gourmande : protons et neutrons ne s’y comportent pas comme des grains bien sages et se transforment sans cesse. Si pour le physicien, le noyau est un être complexe, presque vivant, nous nous contenterons de l’image d’un noyau rond et bien sage, type framboise, pour la plupart des phénomènes liés à la radioactivité.

Pour les noyaux présents dans l’Univers, A varie de 1 à 238, Z de 1 à 92. Le noyau naturel le plus lourd est celui de l’uranium-238 composé de 92 protons et 146 neutrons, donc de 238 nucléons.

Les protons sont chargés positivement, les neutrons sont neutres. Chaque proton est porteur d’une charge électrique élémentaire +e, égale et opposée à celle de l’électron. Dans un atome, il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons autour. La charge électrique du cortège d’électrons est donc exactement compensée par la charge électrique positive présente dans le noyau et l’atome est neutre.

Pour maintenir ensemble ces nucléons, il faut une force très intense, qui l’emporte sur la répulsion électrostatique des protons. Il s’agit d’une force de contact, dont les effets sont comparables à celui d’une colle. Cette « colle » nucléaire ne se fait pas sentir en dehors du noyau. L’attraction nucléaire est si difficile à observer, qu’il a fallu attendre le XXème siècle pour soupçonner son existence.

LE CEA-Irfu a réalisé une vidéo montrant la vision moderne qu’ont les physiciens nucléaires du noyau : “Le noyau : un objet quantique”