ECUE 3 Biophysique : Le Noyau

La charge électrique du noyau (proportionnelle à $Z$), et dans un atome neutre, le nombre d'électrons.

Modèle planétaire où les électrons occupent des couches électroniques à niveaux d'énergie définis autour du noyau.

L'identité chimique : un nombre $Z$ donné correspond à un seul élément dans la classification périodique.

$^{A}_{Z}X$ , où $A$ est le nombre de masse (nucléons) et $Z$ le numéro atomique (protons).

• Le noyau (charges positives)
• Le nuage électronique (charges négatives)

John Dalton a repris l'hypothèse en 1805. Il considérait l'atome comme une sphère dure et pleine de matière, expliquant les réactions chimiques par assemblages et réarrangements d'atomes et de molécules.

La matière est constituée de quatre éléments : le feu, l'air, la terre et l'eau (théorie de la croix d'Aristote).

Le modèle planétaire : électrons en orbite autour d’un noyau central chargé positivement, concentrant la quasi-totalité de la masse.

La matière est composée de particules élémentaires invisibles et indivisibles nommées atomes, éternels et immuables. La variété des formes des atomes explique la diversité de la matière.

Environ 1 particule sur 20 000 a rebondi sur la feuille d’or, ce qui prouve l’existence d’un noyau dense et massif.

Les électrons (charges négatives) sont répartis dans une « pâte » de charge positive, comme des raisins secs dans un pudding.

Il a découvert l'électron : une particule chargée négativement, de masse très faible (~1% de celle de l'atome).

Bombarder une feuille d’or très fine avec un faisceau de particules alpha émises par une source radioactive, et détecter leur trajectoire à 360°.

La table des nucléides, qui place les noyaux dans un repère cartésien avec $Z$ en abscisse et $N = A - Z$ en ordonnée.

Que l’atome est essentiellement vide (structure lacunaire) : un petit noyau central, entouré de beaucoup d’espace vide où se trouvent les électrons.

Dans un repère cartésien ayant $Z$ (nombre de protons) en abscisse et $N$ (nombre de neutrons) en ordonnée.

Ils ont le même $Z$ (numéro atomique) mais un nombre de neutrons $N$ différent, donc un nombre de masse $A$ différent.

Un peu moins de 300 nucléides stables et plus de 2500 nucléides radioactifs instables.

$E = mc^2$, où $E$ est l'énergie, $m$ la masse et $c$ la vitesse de la lumière.

Noyaux ayant un même nombre de nucléons $A$ (nombre de masse) mais un numéro atomique $Z$ différent, ce sont donc des éléments chimiques différents.

Région du diagramme $(N,Z)$ où les noyaux stables se situent, avec une énergie de liaison par nucléon supérieure aux noyaux avoisinants.

L'énergie de liaison dans le noyau est de l'ordre du MeV, pour les électrons dans l'atome du keV et pour les atomes dans une molécule de l'eV.

Le nombre de neutrons : pour $A<20$, stabilité quand $N = Z$ ; pour $A>20$, il faut $N > Z$ pour compenser les répulsions électrostatiques.

L'énergie de liaison par nucléon ($E_L/A$) : plus elle est élevée, plus le noyau est stable.

Plus $E_{\mathrm{L}}/A$ est élevée, plus le noyau est stable ; elle augmente avec $A$ jusqu'à un maximum d'environ $8,8\,\mathrm{MeV}$ (pour $^{60}\mathrm{Ni}$), puis diminue pour les noyaux lourds.

Ils se situent sur une bissectrice où $N > Z$, formant la « vallée de stabilité ».

Le défaut de masse du noyau, lié à l'énergie de liaison des nucléons via l'équivalence masse-énergie.

1 u = $931,5 \text{ MeV}/c^2$.

L'interaction électrostatique répulsive entre protons croît avec $Z$ ; l'ajout de neutrons augmente les forces attractives (interaction forte) sans accroître la répulsion, stabilisant le noyau.