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Le Noyau Atomique


Neutrons et Isotopes

Comme nous venons de le voir, un noyau comporte des protons, chargés positivement. Mais le noyau n'est pas constitué que de protons. On y trouve aussi d'autres particules, appelées neutrons, parce que, vous vous en doutez, elles n'ont pas de charge électrique. Elles sont neutres.

Donc finalement, il peut exister des noyaux ayant le même nombre de protons, donc faisant partie du même élément, mais avec un nombre différent de neutrons.

L'hydrogène à proprement parler a par exemple un noyau constitué d'un seul proton. Le deutérium a un noyau avec un neutron et un proton, tandis que le tritium a un noyau constitué d'un proton toujours, mais de deux neutrons. Le deutérium et le tritium sont aussi de l'hydrogène puisqu'ils n'ont qu'un seul proton. On dit que ce sont des isotopes : ils appartiennent au même élément, mais n'ont pas le même nombre de neutrons.

Comme ils appartiennent au même élément, ils ont strictement les mêmes propriétés chimiques. Deux atomes de tritium peuvent donc très bien former, avec un atome d'oxygène, une molécule d'eau. Comme les atomes d'hydrogène de cette molécule sont tout de même plus lourds que les atomes normaux, l'eau ainsi constituée sera légèrement plus lourde que de l'eau normale. On l'appelle d'ailleurs l'eau lourde. En temps normal, l'eau naturelle comporte une toute petite part d'eau lourde.

La désintégration radioactive naturelle

Tous les noyaux ne sont pas "stables" : un noyau trop gros, par exemple, est un édifice branlant, peu solide, qui peut s'écrouler sans crier gare. Il a tendance alors à se scinder en plusieurs éléments en crachant des particules : il se désintègre. On dit que de tels éléments sont radioactifs. Si vous prenez une certaine quantité de matière radioactive, les atomes instables qui la constitue se désintègrent petit à petit en émettant des radiations. Evidemment, si on attend assez longtemps, tous les atomes radioactifs se sont désintégrés et la matière cesse d'être radioactive.

Parmis les différents isotopes d'un même élément, certains peuvent être radioactifs, d'autres pas. Par exemple, le carbone 12 (dont le noyau comporte 6 neutrons et 6 protons, d'où le nom de l'isotope, puisque 6+6=12) n'est pas radioactif, à la différence du célèbre carbone 14 (qui compte deux neutrons de plus). On trouve les deux dans la nature, même si le carbone 12 domine nettement. Chacun d'entre nous est constitué pour partie de carbone 14, sans le savoir ni le remarquer. Comme on vient de le voir, le numéro placé derrière le nom de l'élément, et qui désigne l'isotope (le 14 de "carbone 14") désigne en fait le nombre de nucléons (un proton ou un neutron) présents dans le noyau. C'est le nombre de masse : comme les protons et les neutrons ont sensiblement le même poids, il permet de connaître le poids du noyau.

La désintégration d'un noyau est un exemple de réaction nucléaire : en général en effet, la nature des éléments n'est pas conservée. Si par exemple le noyau se scinde en deux, il est évident que l'atome de départ n'existe plus, mais qu'il a donné naissance à deux atomes appartenant à un élément différent et plus légers. Au passage, la désintégration libère beaucoup d'énergie. C'est ce qui explique que sous la croûte terrestre, il y ait toujours de la lave en fusion : ce sont les désintégrations radioactives qui chauffent tout ça...

La fission provoquée

La désintégration des éléments dégage donc beaucoup d'énergie ! Peut-on la récupérer ? Peut-on accélérer ces désintégration pour avoir plus dénergie ?

Eh bien on s'est aperçu qu'on avait un moyen d'accélérer la désintégration naturelle de l'uranium 235, par un moyen très simple : plus vous mettez d'uranium ensemble, plus la désintégration se fait rapidement. Comment ça ? Par ce qu'on appelle une réaction en chaîne.

Quand un noyau d'uranium 235 se désintgère, il émet des neutrons. Or quand un neutron rencontre un atome d'uranium, l'atome d'uranium se désintègre, en émettant à son tour des neutrons, etc...

Evidemment, si on met ensemble beaucoup d'uranium, on peut atteindre ce qu'on appelle la masse critique : tout l'uranium risque de se désintégrer en très peu de temps, et c'est alors un dégagement énorme d'énergie. C'est le principe de la bombe A.

Mais si vous absorbez une partie des neutrons, vous pouvez arriver à un équilibre où les nombre de désintégrations d'atomes par seconde n'augmente pas, et reste constant : le résultat c'est simplement que l'uranium libère de l'énergie, et chauffe son environnement très fort. C'est ce qui se passe dans les centrales nucléaires, qui sont en fait des machines à vapeur chauffées par le chaleur dégagée par l'uranium. En fait, dans les réacteurs nucléaires, on enfonce plus ou moins selon ce qu'on veut, des barres de graphite (comme celui des crayons à papier), qui absorbent le trop plein de neutrons émis par l'uranium.