livret_atome.pdf

7/30/2019 livret_atome.pdf

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> INTRODUC

De linfiniment grand linfiniment petit

De linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome

DE L A RE C HE RC HE

L I N D U ST R I E

> De linfiniment grand linfiniment

AU CUR DE LA MATIRE: LES ATOMLMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPESLES QUATRE INTERACTIONSFONDAMENTALES

LA PHYSIQUE NUCLAIRE

Commissariat lnergie Atomique, 2002Direction de la communicationBtiment Sige - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr

ISSN 1637-5408.

LA COLLECTION

1 > Latome

2 > La radioactivit

3 > Lhomme et les rayonnements

4 > Lnergie

5 > Lnergie nuclaire: fusion et fission

6 > Le fonctionnement dun racteur nuclaire

7 > Le cycle du combustible nuclaire

8 > La microlectronique

1 > Latome


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> INTRODUC


> SOMMAIRE2

introductioLa dcouverte de latome est due des phi-losophes, tels que Leucippe et Dmocrite,qui, pour tenter de rpondre aux questions por-tant sur le commencement et la fin du cosmos,lunit et la diversit des tres matriels, onttrouv un dnominateur commun pour tousles tres, pour tout lunivers: latome.Au fil des annes et des sicles, cette volontde comprendre lorigine du monde a contribu

considrer latome comme un objetpar les physiciens. Cette petite matire a permis de faire un grand la comprhension de notre univers et eau centre de nombreuses recherches,na pas dit son dernier mot.

AU CUR DE LA MATIRE:LES ATOMES 4La composition des atomes 5

Les tailles dun atomeet de son noyau 5

La masse de latome 6

La charge lectriquede latome 6

LMENTS CHIMIQUESET ISOTOPES 8Les lments chimiques 9

Les isotopes 9Le tableau de Mendeleev 11

LES QUATRE INTERACTIONSFONDAMENTALES 12Linteraction forte 13

Linteractionlectromagntique 13

Linteraction faible 14

La gravitation 14

LA PHYSIQUE NUCLAIRE 15Une brve description

du noyau 16La microchirurgie du noyau 16

La fournaise nuclaire 19

> INTRODUC

Latome

Grlelectrostatique.

Chaque atome est

constitu dun noyauentour dun cortgedlectrons.

De gauche droite: JJohn ThomErnest Ruet JamesChadwick


Ds le Ve sicle avant Jsus-Christ, Leucippe, puisDmocrite, nomment atome (du grec atomosqui ne peut tre coup) cette petite unit dematire, ternelle, illimite et constammenten mouvement rapide.

Il faudra attendre plus de 2500 ans pour approfondircette connaissance. En 1897, Joseph John Thomsondcouvre lun des composants de latome, llectron.En 1904, il imagine que les atomes sont des sphresremplies dune substance lectriquement positive etfourre dlectrons ngatifs.

En 1911, un savant anglais, Ernest Rutherford,voit que des particules projetes sur de la matire

la traversent comme si ctait du vide, saufquelques-unes, trs rares qui sont dviesou mme rebondissent comme des balles de fusiltires contre une large et haute haie recelantquelques billes dacier. Il dcouvre ainsi le noyauatomique qui concentre presque toute la massede latome dans un volume cent mille fois plus petitque ce dernier.

On trouve ensuite que la charge lectrique posdu noyau est porte par plusieurs corpusculesles protons. Et, en 1932, James Chadwick dcle neutron, constituant neutre du noyau. Lorsquest seul, il se dsintgre en proton et en lectrlorsquil est lintrieur du noyau atomique,il est stable.

En 1969, des physiciens bombardent des noyauun faisceau de particules (des lectrons) suffisaacclres pour pntrer au cur des nuclonsEt l'histoire de Rutherford se rpte au sein mmdu nuclon, certains lectrons rebondissent de apparemment bizarre. Ce ne peut tre que sur d

corpuscules encore plus petits. Ainsi sont dcoles quarks. Chaque nuclon en contient trois.

La dernire dcouverte est celle du quark.Peut-tre un jour dcouvrira-t-on des particuleencore plus petites l'intrieur des quarks!Mais il faudra disposer d'acclrateurs de partencore plus puissants. Plus on veut voir petit, pmicroscope doit tre gros.

HISTORIQUE

Conception et ralisation: Spcifique - Photo de couverture: PhotoDisc - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002

PhotoDisc

Palaisdeladcouverte/Ph.

C.

Greutz

Roger-Viollet


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> AU CUR DE LA MATIRE: LES AT4

UN ATOME EST CONSTITUDUN NOYAU DE PROTONS ET DE NEUTRONS,ET DUN NUAGE DLECTRONS.

LA COMPOSITION DES ATOMESLes plantes, lair, leau, les pierres, les tresvivants tous les corps de la nature sontconstitus partir datomes ou dassemblagesdatomes (molcules). Contrairement son

tymologie, latomenest pas indivi-

sible. Comment est-il constitu?Un atome est compos:

dun noyau central qui est un assemblagede protons et de neutrons. Les protons et lesneutrons constituent les nuclons (du motgrec nucleus signifiant noyau);dun nuage priphrique compos dun cor-tge dlectrons, qui tournent des vitessesprodigieuses autour du noyau. Il est impossiblede vraiment se reprsenter leurs trajectoires:seules des formules mathmatiques permettentde prdire dans le nuage quils forment autourdu noyau, les zones o lon a le plus de chancesde les rencontrer.Il existe beaucoup datomes diffrents maisils sont tous fabriqus partir de protons, deneutrons et dlectrons tous identiques.

LES TAILLES DUN ATOMEET DE SON NOYAULe diamtre du nuage lectronique sphrique

de latome est de lordre de 10-10 mtre. Cettetaille est vraiment minuscule. Pour atteindreun centimtre, il faudrait aligner 100 millionsdatomes.


Au cur de lamatire: les atomesAssemblage de plusieurs atomesrelis par des liaisons chimiques.

PhotoDisc

Nuage lectronique

Noyau ato

REPRSENTATION DU NUAGELECTRONIQUE DE LATOMEDE LITHIUM

Latome de lithium reprsent a trois protons,quatre neutrons et trois lectrons. On ne peut donner la position exacte des trois lectronsdans le nuage lectronique de latome de litDans cette reprsentation, les lectrons se tro

de faon plus probable, dans les zones les plufonces. Cette image est le rsultat de formulmathmatiques.

Le noyau est encore beaucoup plusoccupe une sphre dun diamtre de 10en moyenne, soit prs de 100000 petite que latome avec son nuage d


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De linfiniment grand linfiniment petitDe linfiniment grand linfiniment petit 1 > Latome

> AU CUR DE LA MATIRE: LES AT6 > AU CUR DE LA MATIRE: LES ATOMES

le rsultat du calcul nest quune estimation (voirlivret Lnergie nuclaire: fusion et fission).

LA CHARGE LECTRIQUEDE LATOMEDes trois lments constituant latome, seulle neutron ne porte pas de charge lectrique,ilest neutre, do son nom. Un proton porte unecharge positive et un lectron, une charge nga-

tive. Un atome dans son tat normal comprendautant de protons que dlectrons. Il est donclectriquement neutre. Cependant, dans cer-taines conditions (ractions chimiques),latome peut perdre ou gagner un ou plusieurslectrons et peut alors tre charg positivementou ngativement. Il est alors appel ion.

LA MASSE DE LATOMEDans latome, la masse nest pas rpartie de faonhomogne. Les protons et les neutrons ont peuprs la mme masse, mais ils sont environ 2000fois plus lourds quun lectron, si bien que lenoyau concentre quasiment toute la masse de

latome et que la matire dont est fait un noyauest un million de milliards de fois plus dense quela matire ordinaire. Sitous les noyaux de la Terrevenaient se toucher, notre plante aurait peineplus de cent mtres de diamtre et un grain desable pserait plus dune tonne. Pour estimer lamasse dun noyau, il suffit donc de connatre sonnombre de nuclons (appel aussi nombre demasse). Sachant que la masse dun nuclon estdenviron 1,67.10-27 kg, il est facile de calculerune masse approximative dun atome. Cependant,

MNHN

Dans la nature, tous les corps sont constitus partir datomes ou dassemblages datomes (molcules)

PhotoDisc

PhotoDisc

PhotoAlto

PhotoDisc

Lespace entre le noyauet le nuage dlectrons est vide.


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> LMENTS CHIMIQUES ET ISOT


8

LES LMENTS CHIMIQUESUn lment chimique est un ensemble datomes

comportant le mme nombre de protons.Il estdsign par un symbole dune ou deux lettres(par exemple,1Hpour lhydrogne qui na quunproton, 26Fe pour le fer qui a 26 protons).Les atomes prsents naturellement sur Terreappartiennent 90 lments chimiquescomprenant de 1 92 protons. Les lmentschimiques, techntium (Tc) avec 43 protons etpromthum (Pm) avec 61 protons, nexistentpas ltat naturel. Ils peuvent cependant trecrs artificiellement ainsi que dautres lments

SELON LE NOMBRE DE LEURSCONSTITUANTS, LES ATOMES RELVENTDE CATGORIES DIFFRENTES.

lments chimiqueset isotopes

chimiques comprenant plus de 92comme, par exemple, le plutonium (94 protons.

LES ISOTOPESLes noyaux ne sont pas uniquementus de protons, ils contiennent aneutrons. Des atomes dun lment ccomportant un nombre diffrent de

sont des isotopes de cet lment. Par eTous les isotopes de lhydrogne ont uet zro, un ou deux neutrons. Ce sdrogne lger (appel souvent hydrog

Latome

PhotoDisc

Un atome daluminium (Al) Un noyau daluminium

14 neutrons

13 protons

13 lectrons


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> LMENTS CHIMIQUES ET ISOT


> LMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES10

court car cest le plus rpandu), lhydrognelourd ou deutrium, et le tritium (voir schmaci-dessus).Tous les isotopes du carbone ont 6 protons.Les plus abondants ont 6, 7 ou 8 neutrons. Unatome est appel par le nom de son lmentchimique suivi du nombre total de ses nuclons:carbone 12, carbone 13 et carbone 14.Les proprits chimiques dun atome dpen-

dant seulement du nombre et de la disposi-tion des lectrons dans son nuage, tous lesisotopes dun mme lment ont les mmes

proprits chimiques. Cependant, la lgrediffrence de masse de leur noyau fait queleurs proprits physiques se diffrencientquelque peu.

Les isotopes sont en quelque sortedes atomes frres qui possdent lesmmes proprits chimiques mais unnombre diffrent de neutrons.

LE NOM DES ATOMESUn atome se caractrise par son nombrede protons (identique celui des lectrons)et par son nombre de neutrons.

Il est appel par le nom de son lmentchimique suivi de son nombre total denuclons (nombre de masse). Par exemple,oxygne 16, fer 59.

Le nom de llment chimique permetde connatre le nombre de ses protons.Et du nombre de ses nuclons, parsoustraction du nombre de ses protons,on peut dduire le nombre de ses neutrons.

Les isotopes

Noyau

Lhydrogne 1H Le deutrium 2H ou D Le tritium 3Hou T

1 lectron{1 proton } Noyau

1 lectron

{1 proton1 neutron} Noyau

1 lectron

{1 proton2 neutrons}

Mercure

Li

3

6,941 Be

Tableau de Mendeleev

4

9,0122

Na11

22,9898Mg

12

24,3050

Ca20

40,078K

19

39,0983Sc

21

44,956Ti

22

47,88V

23

50,942

La57

138,906

Nb41

92,906Zr

40

91,224Y

39

88,906Sr

38

87,62Rb

37

85,468

Cs55

132,905Ba

56

137,327

57

71Hf

72

178,49

Rf104

(261,11)

Ta73

180,948

89

103Ra

88

226,025Fr

87

(223)

W74

183,85Re

75

186,207Os

76

190,2Ir

77

192,22Pt

78

195,08Au

79

196,967Hg

80

200,59A

85

(21Po

84

(209)Bi

83

208,980Pb

82

207,2Tl

81

204,383

Sn50

118,710In

49

114,82Te

52

127,60Sb

51

121,75I

53

126,9

B35

79,9Se

34

78,96As

33

74,9216

S16

32,066P

15

30,9736

Ge32

72,61Ga

31

69,723

Si14

28,0855Al

13

26,9815

N7

14,0067

C6

12,011

B5

10,811

F9

18,99

O8

15,9994

C17

35,45

1

1

Cd48

112,411Ag

47

107,868Pd

46

106,42Rh

45

102,906

Zn30

65,39Cu

29

63,546Ni

28

58,69Co

27

58,9332Fe

26

55,847

Ru44

101,07Tc

43

(98)Mo

42

95,94

Mn25

54,9309Cr

24

51,996

Th Pa

LGENDE

Les chiffres entre parenthsesindiquent le nombre de massede l'isotope le plus stable.D'aprs Handbook of chemistry and phy

74st

Ed. 1993, CRC Presset Pure and Applied Chemistry, 1997, 6

Numro atomiqueSymboleMasse atomique

Priode

1

2

3

4

5

6

7

1A MTAUX ALCALINS

2A MTAUX ALCALINO-TERREUX

3A HOMOLOGUES DES TERRES RARES

4A MTAUX ET MTALLODES TTRAVALENTS 4B

5A Famille du VANADIUM

6AFamille du CHROME

7A Famille du MANGANSE

8A 8B 8C

Priode 4 : MTAUX MAGNTIQUESPriode 5 : Mine du PALLADIUM

Priode 6 : Mine du PLATINE

MTAUX NOBLES 1B

MTALLODES HALOGNES MONOVALENTS

MTALLODES BIVALENTS 6B

MTALLODES TRIVALENTS 5B

MTAUX TRIVALENTS 3B

Famille du ZINC 2B

91

231,036

90

232,038

92

238,029

U94

(244)Pu

96

(247)Cm

98

(251)Cf

100

(257)Fm

102

(259)NoAc

89

227,028

Np

93

237,048

Am

95

(243)

Bk

97

(247)

Es

99

(252)

Md

101

(258)

Lr

103

(260)

Ce58

140,115

Pr

59

140,908Nd

60

144,24

Pm

61

(145)Sm

62

150,36

Eu

63

151,965Gd

64

157,25

Tb

65

158,925Dy

66

162,50

Ho

67

164,930

Er68

167,26

Tm

69

168,934

Yb70

173,04

Lu

71

174,967

H1

1,00794

LANTHANIDES

ACTINIDES

Db105

262,11Sg

106

263,12Bh

107

264,12Hs

108

265,13Mt

109

268Uun

110

269Uuv

111

272Uub

112

277

Al

Aluminium

C

Carbone

Cd

Cadmium

Co

Cobalt

Cr

Chrome

Ge

German

Hg

Mercure

In

Indium

Pb

Plomb

Si

Silicium

Tl

Thallium

W

Tungs


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> LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENT


12

Dans la nature, les objets sont soumis toutessortes de forces qui sexercent distance.

Ainsi, par exemple, deux masses sattirent,deux charges lectriques sattirent ou se repous-sent suivant leur signe. Les objets ont une actionlun sur lautre. Ils interagissent. Suivant lanature des objets, les forces dinteraction (ouplus simplement interactions) sont de quatretypes fondamentaux: linteraction forte, lin-teraction lectromagntique, linteraction faibleet la gravitation.

LINTERACTION FORTELinteraction forte, ou force nuclaire forte,

assure la cohsion du noyau en faisant forte-

ment sattirer les nuclons.Elle ne sexerce qudes distances trs courtes, quelques diamtresde noyaux. distance gale, elle est 100 1000 fois plus intense que linteraction lec-tromagntique.

LINTERACTIONLECTROMAGNTIQUELinteraction lectromagntique se manifeste

sous deux formes, la force lectrique et la force

magntique.La premire rgit les phnomneslectriques comme la foudre, les cheveux

qui se dressent sur la tte quand il y a de llec-tricit dans lair, et la deuxime, les phnomnesmagntiques comme la boussole, les lectro-aimants, etc. La force magntique est un effetprovenant du mouvement des charges lec-triques, ainsi une boussole est perturbe parles clairs dun orage. Cette interaction fait se

DANS LA NATURE, TOUS LES OBJETSONT UNE ACTION LUN SUR LAUTRE.ON DIT QUILS INTERAGISSENT. Une boussole

est perturbe parles clairs dun oracest lune des

manifestationsde la force magntqui provient dumouvement descharges lectrique

repousser deux charges lectriques dsigne (deux protons, par exemple), edeux charges de signes opposs (unet un noyau). Elle porte linfini, mest quatre fois plus faible distance dde linverse carr de la distance).Etend les proprits chimiques des ato

Palaisdeladcouverte/Ph.

C.

Greutz

La force lectrique rgit les phnomnes commet intervient dans linteraction lectrom

PhotoDisc

interactionsfondamentalesLes quatreinteractionsfondamentales


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La physiquenuclaire

TUDIER LE NOYAU ATOMIQUEET SES COMPOSANTS, VOIL EN QUOICONSISTE LA PHYSIQUE NUCLAIRE.


LINTERACTION FAIBLELinteraction faible, ou force nuclaire faible,

est responsable de certains phnomnes de la

radioactivit (par exemple, la radioactivit bta).Sa porte est extrmement faible, de lordre dequelques centimes de la taille dun nuclon,mais elle rgit les ractions thermonuclairesqui permettent au Soleil et aux toiles de pro-duire de lnergie. Elle est environ 100000 foisplus faible que linteraction forte.

LA GRAVITATIONLa gravitation, responsable de lattraction des

masses, explique la pesanteur et le mouvement

des corps clestes. Elle varie avec la distancesuivant la mme loi que la force lectroma-gntique. Cest de trs loin la force la plus faibledes quatre: 10-40 fois plus faible que la forcelectromagntique! Pourtant cest celle quenous ressentons le plus: quand on tombe dehaut, on se fait mal! Car la masse qui nousattire est gigantesque, cest celle de la Terre.Mais, si parfois on se casse une jambe, on nese casse jamais un atome, encore moins unnoyau

> LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES14

La gravitation, plutt faible compare dautres forces,est pourtant celle que nous ressentons le plus.

La gravitation varieavec la distance.Quand on tombe dehaut, on se fait mal!

PhotoDisc

CEA/GANIL

16


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> LA PHYSIQUE NUCL


> LA PHYSIQUE NUCLAIRE16

UNE BRVE DESCRIPTIONDU NOYAUUn atome est donc une sorte de systme solaireen miniature: des mini-plantes, les lectrons,tournent autour dun mini-soleil, le noyau. Laphysique nuclaire, cest ltude du noyau

atomique et de la force norme linteraction

forte qui lie ses constituants, les nuclons

(protons et neutrons).

Le noyau est un objet extrmement dense,complexe et petit. Il est comme une pouperusse qui contient des poupes de plus enplus petites, des poupes gigognes: le noyaucontient des nuclons, qui renferment chacun

trois quarks. Il y a deux sortes de nuclons: lesprotons, chargs positivement et les neutronsqui sont neutres.Dans ce minuscule volume, non seulementles protons se repoussent trs fortementcar ils sont porteurs de charges lectriquesde mme signe, mais protons et neutronsdansent un vertigineux ballet plus de30000 km/s (plus dun dixime de la vitessede la lumire, soit le tour de la Terre en1,34 seconde)! Pourtant, le noyau ne spar-pille pas en gerbes de nuclons et garde sacohsion. En son sein, une force colossaleprovoque une attraction entre nuclons

bien suprieure la force lectrique qui

spare les protons. Cette force nuclaire ouinteraction forte qui maintient la cohsiondes noyaux est la plus puissante des quatreinteractions ou forces fondamentales de lanature.

LA MICROCHIRURGIEDU NOYAUCest ltude du noyau en tant que collectionde nuclons qui bougent et sattirent, celledes mcanismes intimes de leur attraction etde linfluence des quarks sur leurs proprits

et leur comportement. Pour cela, on sonde lesnoyaux avec un vritable microscalpel adapt leurs dimensions. On utilise un faisceau departicules acclres (voir encadr page 18)qui permet de regarder quelle est la propor-tion des particules dvies ou absorbes. Ilpermet aussi de voir comment ragissent les

Au cur de latome, protons etneutrons dansent plus de 30 000 km/s.Pourtant, grce la force nuclaire,ils ne sparpillent pas.

Acclrateur de particulesdu CERN, en Suisse.

CEA

FERMIONSLa matireordinaire estcompose departiculesde ce groupe.Pour la plupart,ces particulestaient prsentes

juste aprsle "Big Bang".Aujourd'huion ne les trouveque dans lesrayons cosmiques

et auprs desacclrateurs.

Peuvent se dplacer librement. Prisonniers de particules plus grandils ne sont pas observs individuellem

BOSONSVECTEURSParticulesfondamentalesqui assurentla transmission des

forces de la nature.

Responsables de la brisure de symtrie lectro-faible.

LECTRONResponsable del'lectricit et desractions chimiques.Sa charge est de - 1.

MUONUn compagnon plusmassif de l'lectron.

TAUEncoreplus lourd.

NEUTRINO LECTRONSans charge lectriqueet interagissanttrs rarement avecle milieu environnant.

NEUTRINO MUONProprits similaires celles du neutrinolectron.

NEUTRINO TAUProprits similaires celles du neutrinolectron.

BAS dSa chargelectrique est de - 1/3.Le proton en contientun, le neutron deux.

TRANGE sUn compagnon pluslourd du "bas".

BEAUT bEncoreplus lourd.

HAUT uSa charge lectest de +2/3. Le en contient deule neutron un.

CHARME cUn compagnon lourd que "haut

TOP t

PREMIREFAMILLE

LEPTONS QUARKS

D

EUXIMEFAMILLE

TROISIMEFAMILLE

PHOTONGrain lmentaire de lalumire, porteur de laforce lectromagntique.

GLUONPorteur de la forceforte entre quarks.

W-, W+, Z0Porteurs de la force faible,responsables de certainesformes de dsintgration

radioactive.

GRAVITONSuppos vhicula force de grav

BOSONS DE HIGGS?

ATOME

NOYAU

LECTRON PROTON

NEUTRON

QUA

Caractristiques des particules lmentaires

18


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> LA PHYSIQUE NUCL


> LA PHYSIQUE NUCLAIRE18

noyaux : jection de nuclons, productiondautres particules, etc. On arrive faire desobservations extraordinaires: voir la diffrenceentre la taille dun proton isol et celle dunproton plong dans son noyau ou encoremesurer linfluence de la rotation des quarkssur celle du nuclon qui les contient, cest--dire dterminer comment trois petites toupies

qui tournent perptuellement en dans une sorte de glu et enfermes dtoupie mille fois plus grande (et pominuscule elle-mme) peuvent epartiellement sa rotation

LA FOURNAISE NUCLAIRCest ltude globale du noyauquchantillon de cette matire nucldense dont on connat assez mal les prPour en savoir plus, on ltudie dans dtions extrmes, identiques celles qui aux premiers instants de lUnivers. Cune vritable remonte dans le temp

La mthode consiste prcipiter lesles autres des paquets de noyaux qulre jusqu des vitesses proches dela lumire.Les chocs sont dune violence inouenuclaire se retrouve dans des tats de temprature, de pression, de dfodinstabilit. Les noyaux se fondentdans les autres, forment de nouveaudont la plupart nexistent pas sur Tfissurent, et au-dessus dune certainrature clatent, se vaporisent littraleune gerbe de nuclons. Cest une fan

aubaine pour les physiciens car ceprature nest autre que celle en delaquelle les noyaux ont pu se formerefroidissement de la pure primordidu Big Bang. Ils peuvent ainsi la 15 milliards dannes plus tard.

Pour tudier les atomes, certainseffectuent une remonte dans le temps,en recrant des conditions extrmesproches des premiers instants de lUnive

En ralit, on ne voit pas lesnoyaux.On ne peut que dterminerleur taille, leur forme, en lesbombardant avec des faisceauxde particules acclres.

On regarde ensuite commentces particules rebondissent ousont absorbes et comment ragitle noyau.Ce processus nest pas si diffrentde celui de la vision. Les objetsrenvoient notre il la lumiredont on les claire, en enabsorbant parfois une partie.On voit aussi leur taille, leurcouleur, etc.Or, la lumire, cest la foisune collection de grains lumineux,les photons, et une vibration, uneonde, tout comme la houle en mer.Cette onde transporte dautant plusdnergie quelle vibre plus vite,autrement dit, que ses ondulations

sont plus serres. La distance entredeux crtes successives sappellela longueur donde. Plus petiteest la longueur donde, plus londeest nergtique. Et plus elle permetde voir fin. Pour la lumire visible,la longueur donde va de 0,4

0,8 micromtre (millionimede mtre). peu prs, la tailledun microbe. Cest justementle genre dobjet que lon peutobserver au microscope optique,mais si on veut voir plus petit,

celui-ci ne suffit plus. Pour voirdes atomes, il faut un microscopelectronique dans lequel unfaisceau dlectrons acclrsjoue le rle de la lumire, car ilse conduit comme une onde, maisune onde dont la longueur dondeest de lordre dune fraction denanomtre (milliardime de mtre).Cest environ le diamtre dunatome (soit 10000 fois plus petitque celui dun microbe) que permetde voir le microscope lectroniquedont londe lectroniqueest 10000 fois plus nergtiqueque la lumire visible.Pour voir un noyau, il faut encoregagner au moins un facteur

100000 en finesse dobservationet donc disposer dun faisceauau moins 100000 fois plusnergtique que celui du microscopelectronique le plus puissant.Cest possible grce auxacclrateurs de particules.

Le CERN de Genve, en partenariatavec le CEA, accueillera bienttle Large Hadron Collider - LHC.Cet acclrateur de particules,le plus grand du monde, sera munide 400 aimants quadripolaires

qui focaliseront les faisceauxde protons, afin de produiredes collisions une nergiede 14 TeV (soit 14000 milliardsdlectrons volts).Lun des objectifs est de rvlerle boson de Higgs.

PLUS LOIN AVEC SPIRALSpiral est un quipement, implant Caen, au Ganil(Grand acclrateur national dions lourds),

permettant de produire et dacclrer des noyauxlgers et moyennement lourds, appels noyauxexotiques, qui nexistent pas sur Terre. Leur tudeest essentielle dans de nombreux domaines de laphysique nuclaire, mais aussi de lastrophysique,notamment pour comprendre la formation des noyauxdes atomes au sein des toiles et des supernovae.

Si les physiciens savent dj synthtiser des noyauxexotiques en laboratoire, linstallation Spiral vapermettre, pour la premire fois, den produire engrande quantit, de les acclrer, dobserver leurscollisions avec dautres noyaux, et ainsi deconnatre leur structure. Comparativement aux autresinstallations existantes, Spiral permet en outredtendre de manire considrable lventail deslments exotiques produits et le domaine dnergieaccessible.

En septembre 2001, Spiral a produit son premierfaisceau dun noyau exotique: le Non 18. Grce lobservation des collisions de ce faisceau sur unecible dhydrogne solide, Spiral a permis de dvoilerla structure du sodium 19, noyau inconnu sur Terre,notamment pour comprendre certaines ractionsthermonuclaires par lesquelles sont crs leslments dans lUnivers.

COMMENT VOIR DES NOYAUX ET DES PARTICULES?

En haut gauche: un aimantquadripole pour le LHC.En haut droite: le microscopeanalytique SIMS permet daccder la localisation desradionuclides metteursde rayonnements faibles.Il fonctionne selon le principedun microscope balayage

lectronique et remplacele faisceau dlectrons primairespar un faisceau dions permettantlanalyse lmentairede surfaces solides.

CEA/Dapnia

CEA/Gonin

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