Histoire de la radioactivité :
la radioactivité naturelle : un pas vers le nucléaire



La radioactivité aujourd'hui (7/7)

Appliqué aux électrons périphériques, le principe de Pauli stipule que deux électrons occupant la même orbitale, soit le même état d'énergie, doivent nécessairement avoir des nombres de spin différents - opposés, en l'occurrence. De même, deux nucléons de même nature ne peuvent occuper le même état de mouvement qu'à la condition que leurs spins soient anti-parallèles. Ce qui se traduit par la présence, au sein d'un même état de mouvement, d'au maximum quatre nucléons : d'un neutron dont le spin est dirigé vers le haut, d'un neutron dont le spin est dirigé vers le bas, d'un proton dont le spin est dirigé vers le haut ; enfin, d'un proton dont le spin est dirigé vers le bas. Les deux neutrons et les deux protons occupant le même état de mouvement sont donc liés entre eux par une interaction d'intensité bien plus importante que deux autres neutrons ou protons pris au hasard. En d'autres termes, leur énergie de liaison est maximale. Aussi le noyau d'hélium, constitué de deux neutrons et de deux protons, définit-il le tout premier pic de cette courbe matérialisant les variations de l'énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A. De même les noyaux d'oxygène 16, de calcium 40 et de plomb 208 présentent-ils un pic en énergie de liaison par nucléon. Plus généralement, les nombres 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126 furent qualifiés de magiques. Tout noyau contenant ce nombre de protons ou de neutrons est susceptible de contenir une couche nucléonique complètement remplie.

A compter de 1952, Aage Bohr et Ben Mottelson développèrent le modèle collectif - ce modèle réalisant une sorte de synthèse entre le modèle de la goutte liquide jadis développé par Niels Bohr et le modèle de la configuration en couches des nucléons du noyau. Ils parvinrent ainsi à rendre compte des mouvements de rotation et de vibration dont sont animés les nucléons du noyau. Autant de mouvements internes contribuant à déformer le noyau - à l'éloigner de cette forme sphérique caractéristique des noyaux contenant un nombre magique de nucléons, donc. Au vu de cette théorie, les noyaux superlourds - plus lourds que les transuraniens actuellement connus - correspondraient par ailleurs aux nombres magiques 184 (en termes de neutrons) et 114 à 126 (en termes de protons). Ce qui leur conférerait une stabilité plus importante que celle des derniers transuraniens synthétisés.

Cette stabilité interne s'explique, nous l'avons vu, par les interactions s'exerçant entre nucléons. Des interactions que nous quantifions aujourd'hui, en les assimilant à des échanges de mésons p ou pions, ces particules massives découvertes en 1947 dans le rayonnement cosmique. L'interaction de deux neutrons ou deux protons se résumerait ainsi à un échange de pion neutre ; l'interaction entre un neutron et un proton en revanche, par l'échange de deux pions, chargés l'un positivement, l'autre négativement. Au vu des théories les plus récentes, cet échange de pions coinciderait avec un échange de gluons, sorte de colle assurant la cohésion des quarks entre eux, soit l'existence même des nucléons. Un prochain dossier consacré à la Théorie de la Grande Unification sera l'occasion de revenir sur ce sujet, pour le moins compliqué.





Ci-contre figurent les échanges de pions neutres (po) et de pions chargés
(p+ et p-) entre neutrons et protons du noyau. Des nucléons constitués
chacun de trois quarks liés entre eux par des gluons. Ainsi l'échange
de pions matérialiserait-il, en réalité, un échange de quarks
entre deux nucléons du noyau.



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