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English to French: short press clipping about pets General field: Other Detailed field: Livestock / Animal Husbandry
Source text - English A Game the Whole Family Can Play
Kids and dogs: They go together like peanut butter and jelly. Despite sensational headlines about family canines mauling toddlers, dogs continue to be children's best pals and confidantes, as they have for centuries.
The concern about dog bites is not insignificant. According to the Centers for Disease Control in Atlanta, dogs bite approximately 4.7 million humans each year. Children are three times more likely than adults to be bite victims.
Many families acquire dogs or puppies without realizing the need to create healthy dog-child relationships. The Schowalters, in Carmel, Calif., called me because their 4-month-old black Labrador Retriever, Bosco, was terrorizing their 4-year-old daughter, Bonnie. Bosco was a normal pup, but his stiletto puppy teeth were wreaking havoc on Bonnie's tender skin.
By the end of our first session, Bonnie could elicit a Sit from Bosco rather than a jump-and-bite. The other five Schowalter children also participated in Bosco's training over the remaining sessions.
Uniquely suited to happy dog-kid relationships, positive dog-training methods can also teach children that it's not necessary or appropriate to use violence with other living beings. And, involving your children in your dog's training reduces the chances of dog-bites-kid.
Dogs learn in two primary ways. Classical conditioning refers to a dog's associations with her environment. She likes things that carry positive associations and dislikes negative ones. If you expose your dog to gentle children who share treats, she'll probably like children.
With operant conditioning, your dog learns to control her environment in order to make good stuff happen and avoid bad stuff. You use operant conditioning to teach behaviors like Sit, Lie Down, and Come. When you train with treats, you also give your dog a positive association with training.
Involve your kids in training as early as possible. Carry your baby in a chest sling or backpack while you train, and your dog will think having the baby around makes treats happen.
Toddlers Can Help with Sit
Your toddler can learn that lifting a hand up to his chest makes your dog sit. To help your dog associate your toddler's gesture with Sit, instruct your child to feed your dog a treat every time she hears you click the clicker (which I recommend) or use a verbal marker. Have your toddler hide the treat behind his back if your dog jumps up and only give it to her when she sits. This teaches your dog not to grab the treat from his hand and teaches your child not to reward jumping up.
On your part, consistently and lavishly reward your dog for sitting around your toddler, so that she regards the behavior as a highly rewarded default behavior around the child.
Tortoise Bladder Stones
Bladder stones are a common problem in many species of tortoise. I estimate that approximately 10 percent of all tortoises seen at my hospital have bladder stones. These are usually found during routine examinations, or during a physical examination on animals presented for other problems, where the owner didn't know that their tortoise had a stone.
There are no typical signs associated with bladder stones. A tortoise with a bladder stone can act totally normal or it may be near death. Rear leg paralysis, constipation, runny noses, egg-binding and lack of appetite are just a few signs.
The stones can be caused by a number of factors. The two most common are improper diet and dehydration. Tortoises are vegetarians. Like other animals, their diet should consist of protein, carbohydrates and fats. However, the dietary protein and fats should be of plant origin, not animal origin. Their systems are not equipped to handle large amounts of animal-based nutrients (such as dog food - a commonly fed diet that is very bad for tortoises and other herbivorous reptiles, such as iguanas).
You have probably noticed that when your tortoise defecates and urinates it produces a pasty white substance. This is called urates, which is the end product of protein digestion in reptiles. If that substance gets produced in excess it can crystallize within the tortoise's urinary system and form a stone.
If a tortoise becomes dehydrated, which can happen in captivity from either not being offered water or being offered food with a low water content, these urates can also crystallize within the body and lead to bladder stone production.
A stone the size of the one that you describe in your tortoise is very large and has probably been there for a long time. I think all stones should be removed, as they will not go away and will only get bigger.
Think of it this way: If you put a bowling ball and a wine glass in a hard-sided suitcase, and then let a gorilla toss it around, what do you think would happen to the bowling ball and the wine glass? The bladder stone is like the bowling ball, and the tortoise's inner organs (kidneys, liver, etc.) are like the wine glass.
Bladder stones, if left untreated, can kill a tortoise. When caught early, bladder stones are easily removed and the patient does extremely well. Good luck and have this problem taken care of soon.
Oh, one more thing. In regard to the stones seen in wild tortoises: It is true that they do get them, but they are often found in dead animals.
Translation - French Un jeu pour toute la famille
Chiens et enfants : unis comme les deux doigts de la main. Malgré les gros titres alarmants concernant les attaques de chiens sur les jeunes enfants au sein des familles, ils restent depuis des siècles les meilleurs compagnons et confidents des petits.
Les morsures de chiens suscitent une grande préoccupation. Les Centers for Disease Control and Prevention (Centres de contrôle et de prévention des maladies) à Atlanta estiment que près de 4,7 millions de personnes se font mordre chaque année, les enfants faisant l’objet de trois fois plus d’agressions que les adultes.
De nombreuses familles prennent des chiens ou des chiots sans réaliser l’importance de tisser des bonnes relations entre l’animal et l’enfant. La famille Schowalters, habitant à Carmel, en Californie, m’a contacté au sujet de Bosco, leur Labrador retriever noir de 4 ans qui terrorisait leur petite fille Bonnie également âgée de 4 ans. C’était un chiot tout à fait normal, cependant, ses petites dents pointues faisaient des ravages sur la chair tendre de la fillette.
Au terme de notre première séance de dressage, Bonnie réussit à faire asseoir Bosco sans se faire sauter dessus ni mordre. Les 5 autres enfants de la famille Schowalter ont également participé aux séances restantes.
Parfait pour des relations chien-enfant complices, les méthodes positives de dressage sont également destinées aux enfants afin de leur apprendre qu’il n’est ni nécessaire ni approprié d’utiliser la violence avec d’autres êtres vivants. Les impliquer dans l’éducation du chien réduit leurs risques de morsures.
Le dressage des chiens se fait de deux façons principales. Le conditionnement classique correspond aux interactions du chien avec son environnement. Il aime les stimuli positifs et à l’inverse n’apprécie pas les stimuli négatifs. Si vous placez votre chien en compagnie d’enfants calmes qui lui donnent des friandises, il s’entendra bien avec eux.
Le conditionnement opérant enseigne au chien à agir sur son environnement afin d’obtenir une récompense et d’éviter les réponses désagréables. Cette méthode permet d’apprendre à l’animal à s’asseoir, se coucher et venir quand on l’appelle. En utilisant les friandises, votre chien associera l’apprentissage à quelque chose d’agréable.
Impliquez vos enfants dans le dressage du chien le plus tôt possible. Si vous portez votre bébé en écharpe ou dans un sac à dos lors de l’apprentissage, votre chien fera le lien entre l’enfant et la récompense.
Les tout petits peuvent aider à faire asseoir le chien
Votre bambin peut apprendre qu’en levant le bras à sa poitrine, le chien s’assoit. Pour aider votre animal à faire le lien entre la position assise et le geste de votre enfant, dites à ce dernier de donner une friandise chaque fois que le chien entendra le clic émis par le clicker (je recommande son utilisation) ou un signal sonore. Votre enfant doit cacher la gourmandise derrière son dos si le chien lui saute dessus et ne doit lui offrir que lorsqu’il s’assoit. Cela apprendra à votre chien à ne pas se servir dans ses mains et à votre enfant à ne pas le récompenser quand il saute.
De votre côté, récompensez systématiquement et généreusement votre chien chaque fois qu’il s’assoit à côté de votre petit. Ainsi, il comprendra que ce comportement entraîne une récompense.
Les calculs de la vessie chez la tortue
Les calculs de la vessie sont un problème fréquent chez de nombreuses espèces de tortue. J’estime qu’environ 10% de l’ensemble des tortues examinées dans ma clinique en souffrent. Ils sont généralement diagnostiqués lors des examens de routine ou lors d’un examen médical chez les animaux venus en consultation pour d’autres motifs, les propriétaires ne soupçonnant alors pas cette éventualité.
Il n’existe pas de signes spécifiques liés aux calculs. En effet, une tortue qui présente cette gêne peut sembler tout à fait normale ou au contraire mourante. La paralysie des membres postérieurs, la constipation, le nez qui coule, la rétention d’œufs et la perte d’appétit sont juste quelques-unes des manifestations cliniques possibles.
De nombreux facteurs sont à l’origine de ces calculs, les plus courants étant la déshydratation et une mauvaise alimentation. Les tortues sont végétariennes. Comme d’autres animaux, leur régime doit se composer de protéines, de glucides et de graisses. Cependant, les protéines alimentaires et les graisses doivent être d’origine végétale et non animale. Leur organisme n’est pas capable de gérer de grandes quantités de nutriments provenant d’animaux (tels que la nourriture pour chiens, une alimentation généralement donnée aux tortues et aux autres reptiles herbivores comme les iguanes et qui n’est pas du tout adaptée à leurs besoins).
Vous avez probablement remarqué que les excréments et l’urine de votre tortue contiennent une substance blanche pâteuse. Il s’agit de l’urate, résultat des protéines digérées chez les reptiles. Si cette substance est produite en excès, elle peut se cristalliser à l’intérieur du système urinaire des tortues et former un calcul.
Si une tortue se déshydrate, ce qui peut arriver en captivité quand elle ne reçoit pas d’eau ou quand on lui donne des aliments qui en contiennent peu, ces urates peuvent également se cristalliser à l’intérieur du corps et entraîner la formation de calculs de la vessie. Le calcul comme celui que vous avez trouvé dans votre tortue est de grande taille et s’y trouve probablement depuis quelque temps. Je pense qu’il vaut mieux retirer les calculs car ils ne disparaîtront pas et deviendront de plus en plus gros.
Imaginez qu’une boule de bowling ainsi qu’un verre à vin soient placés dans une valise rigide et qu’un gorille l’agite, que se passera t-il selon vous ? Il faut savoir que le calcul est comparable à la boule de bowling et que le verre à vin représente les organes internes de la tortue (reins, foie, etc.).
Si on ne fait rien, les calculs de la vessie peuvent provoquer la mort d’une tortue tandis que si on s’en occupe suffisamment tôt, ils peuvent être facilement retirés sans affecter l’animal. Je vous conseille donc de soigner ce problème au plus vite. Bon courage.
Ah, une dernière chose. Concernant les calculs chez les tortues sauvages, il est vrai qu’elles en souffrent, cependant, on les trouve souvent sur des animaux morts.
English to French: nuclear science wall chart General field: Science Detailed field: Nuclear Eng/Sci
Source text - English Chapter 1 – Overview
The Nuclear Science Wall Chart has been created to explain to a broad audience the basic concepts of nuclear structure, radioactivity, and nuclear reactions as well as to highlight current areas of research and excitement in the field. This chart follows the example of two very successful wall charts that have been developed earlier by the Contemporary Physics Education Project (CPEP)—one focused on the Standard Model of fundamental particles and another on fusion and plasma physics. New terminology and the physics behind the chart are explained in subsequent chapters and in the glossary.
Nuclear Science is the study of the structure, properties, and interactions of atomic nuclei, which are the hearts of atoms. The nucleus is the place where almost all of the mass of ordinary matter resides. Understanding the behavior of nuclear matter under both normal conditions and conditions very far from normal is a major challenge. Extreme conditions existed in the early universe, exist now in the cores of stars, and can be created in the laboratory during collisions between nuclei. Nuclear scientists investigate by measuring the properties, shapes, and decays of nuclei at rest and in collisions. They ask questions such as: Why do the nucleons stay in the nucleus? What combinations of protons and neutrons are possible? What happens when nuclei are squeezed? What is the origin of the nuclei found on Earth? Nuclear scientists carry out both theoretical and experimental investigations using high-energy accelerators, innovative detectors, and forefront computing facilities.
A WALK AROUND THE CHART
The Nucleus—1
The atomic nucleus consists of nucleons—protons and neutrons. Protons and neutrons are made of quarks and held together by the strong force generated by gluon exchange between quarks. In nuclei with many nucleons, the effective strong forces may be described by the exchange of mesons (particles composed of quark-antiquark pairs). A proton consists of two up quarks and one down quark along with short-lived constituents of the strong force field. A neutron is similar except that it has two down quarks and one up quark. Although scientists are convinced that nucleons are composed of quarks, a single quark has never been isolated experimentally. Energy brought into a nucleus to try to separate quarks increases the force between them. At high enough energy, the addition of energy creates new particles rather than freeing the quarks.
Chart of the Nuclides—2
The Chart of the Nuclides shows the known nuclei in terms of their atomic number, Z, and neutron number, N. Each box represents a particular nuclide and is color-coded according to its predominant decay mode. The so-called “magic numbers,” with N or Z equal to 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126 correspond to the closure of major nuclear shells (much like the atomic shells of the electrons) and enhance nuclear stability. Isotopes that have a magic number of both protons and neutrons are called “doubly magic” and are exceptionally stable.
Radioactivity—3
Atoms are radioactive if the protons and neutrons in the nucleus are configured in an unstable way. For low numbers of protons (Z), the number of neutrons (N) required to maintain a stable balance is roughly equal to the number of protons. For example, there are 6 protons and 6 neutrons in the nucleus of the most abundant form of carbon. For large numbers of protons in the nucleus, the repulsive electric force between protons leads to stable nuclei that favor neutrons over protons. One stable nucleus of lead contains 126 neutrons and 82 protons. A radioactive atom, lacking a proper balance between the number of protons and the number of neutrons, seeks a more stable arrangement through radioactive decay. These decays occur randomly in time, but large collections of radioactive materials have predictable mean lifetimes. The common decay products are named after the first three letters of the Greek alphabet— alpha (), beta () et gamma (). In an alpha decay, a helium nucleus escapes from a nucleus. Alpha emission reduces the number of protons by two and also the number of neutrons in the nucleus by two. Beta decay can proceed either by emission of an electron and an antineutrino or by emission of their antiparticles, a positron and a neutrino. Beta decay changes the number of protons and the number of neutrons in the nucleus by converting one into the other. Inverse beta decay involves the capture of an electron by a nucleus. In a gamma decay a high energy photon leaves the nucleus and allows the nucleus to achieve a more stable, lower energy configuration.
Spontaneous fission of a large-mass nucleus into smaller-mass products is also a form of radioactivity.
Expansion of the Universe—4
The universe was created about 15 billion years ago in an event called the Big Bang. Around a microsecond after the Big Bang, the universe was populated predominantly by quarks and gluons. As the universe expanded, the temperature dropped. Eventually the universe cooled enough to allow quarks and gluons to condense into nucleons, which subsequently formed hydrogen and helium. Interstellar space is still filled with remnants of this primordial hydrogen and helium. Eventually, density inhomogeneities allowed gravitational interactions to form great clouds of hydrogen. Because the clouds had local inhomogeneities, they gave rise to stars, which collected into galaxies. The universe has continued to expand and cool since the Big Bang, and has a present temperature of only 2.7 Kelvin (K).
After the hydrogen and helium created in the Big Bang condensed into stars, nuclear reactions at the cores of massive stars created more massive nuclei up to iron in a series of nuclear reactions. Higher-mass nuclei were created at the end of the star’s life in supernovae explosions. These elements were scattered into space where they later combined with interstellar gas and produced new stars and their planets. Earth and all its occupants, animate and inanimate, are the products of these nuclear astrophysical processes.
Phases of Nuclear Matter—5
One speaks of water existing in three states or phases: solid, liquid, and gas, known to us simply as ice, water, and steam. Temperature and pressure determine the phase of water molecules. Similarly, protons and neutrons exhibit different phases depending on the local nuclear temperature and density. Normal nuclei appear to be in the liquid phase.
Different regions of nuclear matter include neutron stars, the early universe or a quark-gluon plasma. Scientists study these phases by colliding beams of accelerated particles to produce extreme conditions. At this time, the quark-gluon plasma has not been identified in any experiment.
Unstable Nuclei—6
Although the Chart of the Nuclides includes about 2500 different nuclides, current models predict that at least 4000 more could be discovered. The proton and neutron “drip lines” define where nuclei with extreme ratios of neutrons-to-protons (N/Z) are expected to become so unstable that the nuclear forces will no longer allow them to form. Scientists are pushing towards making nuclei at both the proton and neutron drip lines as well as new elements at the high mass end of the Chart of the Nuclides. Element 118 (yet to be named) is the most massive element yet made artificially. Products from its alpha decay chain identified the unknown parent nucleus from only a few nuclei.
Nuclear Energy—7
Fission occurs when the nucleus of an atom divides into two smaller nuclei. Fission can occur spontaneously; it may also be induced by the capture of a neutron. For example, an excited state of uranium (created by neutron capture) can split into smaller “daughter” nuclei. Fission products will often emit neutrons because the N/Z ratio is greater at higher Z. With a proper arrangement of uranium atoms, it is possible to have the neutrons resulting from the first fission event be captured and to cause more uranium nuclei to fission. This “chain reaction” process causes the number of uranium atoms that fission to increase exponentially. When the uranium nucleus fissions, it releases a considerable amount of energy. This process is carried on in a controlled manner in a nuclear reactor, where control rods capture excess neutrons, preventing them from being captured by other uranium nuclei to induce yet another uranium fission. Nuclear reactors are designed so that the release of energy is slow and can be used for practical generation of energy. In an atomic bomb, the chain reaction is explosively rapid.
Fusion occurs when two nuclei combine together to form a larger nucleus. Fusion of low-Z nuclei can release a considerable amount of energy. This is the Sun’s energy source. Four hydrogen nuclei (protons) combine in a multistep process to form a helium nucleus. More complicated fusion processes are possible; these involve more massive nuclei. Since the energy required to overcome the mutual electric repulsion of the two nuclei is enormous, fusion occurs only under extreme conditions, such as are found in the cores of stars and nuclear particle accelerators. To fuse higher-Z nuclei together requires even more extreme conditions, such as those generated in novae and supernovae. The stars are ultimately the source of all the elements in the periodic table. Because fusion requires extreme conditions, producing this nuclear reaction on Earth is a difficult technical problem. It is used in thermonuclear weapons, where the fusion reaction procedes unchecked. Controlled fusion with release of energy has occurred, but no commercially viable method to generate electrical power has yet been constructed.
Applications—8
Basic research in nuclear science has spawned benefits that extend far beyond the original research, often in completely unexpected ways. Nuclear science continues to have a major impact in other areas of science, technology, medicine, energy production and national security. Nuclear diagnostic techniques find many applications in dating archeological objects, in materials research, and in monitoring changes in the environment.
Chapter 2 - The Atomic Nucleus
Searching for the ultimate building blocks of the physical world has always been a central theme in the history of scientific research. Many acclaimed ancient philosophers from very different cultures have pondered the consequences of subdividing regular, tangible objects into their smaller and smaller, invisible constituents. Many of them believed that eventually there would exist a final, inseparable fundamental entity of matter, as emphasized by the use of the ancient Greek word, (atom), which means “not divisible.” Were these atoms really the long sought-after, indivisible, building blocks of the physical world?
The Atom
By the early 20th century, there was rather compelling evidence that matter could be described by an atomic theory. That is, matter is composed of relatively few building blocks that we refer to as atoms. This theory provided a consistent and unified picture for all known chemical processes at that time. However, some mysteries could not be explained by this atomic theory. In 1896, A.H. Becquerel discovered penetrating radiation. In 1897, J.J.Thomson showed that electrons have negative electric charge and come from ordinary matter. For matter to be electrically neutral, there must also be positive charges lurking somewhere. Where are and what carries these positive charges?
A monumental breakthrough came in 1911 when Ernest Rutherford and his coworkers conducted an experiment intended to determine the angles through which a beam of alpha particles (helium nuclei) would scatter after passing through a thin foil of gold.
What results would be expected for such an experiment? It depends on how the atom is organized. A prevailing model of the atom at the time (the Thomson, or “plum pudding” atom) proposed that the negatively charged electrons (the plums) were mixed with smeared-out positive charges (the pudding). This model explained the neutrality of bulk material, yet still allowed the description of the flow of electric charges. In this model, it would be very unlikely for an alpha particle to scatter through an angle greater than a small fraction of a degree, and the vast majority should undergo almost no scattering at all.
The results from Rutherford’s experiment were astounding. The vast majority of alpha particles behaved as expected, and hardly scattered at all. But there were alpha particles that scattered through angles greater than 90 degrees, incredible in light of expectations for a “plum-pudding” atom. It was largely the evidence from this type of experiment that led to the model of the atom as having a nucleus. The only model of the atom consistent with this Rutherford experiment is that a small central core (the nucleus) houses the positive charge and most of the mass of the atom, while the majority of the atom’s volume contains discrete electrons orbiting about the central nucleus.
Under classical electromagnetic theory, a charge that is moving in a circular path, loses energy. In Rutherford’s model, the electrons orbit the nucleus similar to the orbit of planets about the sun. However, under this model, there is nothing to prevent the electrons from losing energy and falling into the nucleus under the influence of its Coulomb attraction. This stability problem was solved by Niels Bohr in 1913 with a new model in which there are particular orbits in which the electrons do not lose energy and therefore do not spiral into the nucleus. This model was the beginning of quantum mechanics, which successfully explains many properties of atoms. Bohr’s model of the atom is still a convenient description of the energy levels of the hydrogen atom.
The Nucleus
The nucleus is now understood to be a quantum system composed of protons and neutrons, particles of nearly equal mass and the same intrinsic angular momentum (spin) of 1/2. The proton carries one unit of positive electric charge while the neutron has no electric charge. The term nucleon is used for either a proton or a neutron. The simplest nucleus is that of hydrogen, which is just a single proton, while the largest nucleus studied has nearly 300 nucleons. A nucleus is identified as in the example of Fig. 2-3 by its atomic number Z (i.e., the number of protons), the neutron number, N, and the mass number, A, where A = Z N.
What else do we know about the nucleus? In addition to its atomic number and mass number, a nucleus is also characterized by its size, shape, binding energy, angular momentum, and (if it is unstable) half-life. One of the best ways to determine the size of a nucleus is to scatter high-energy electrons from it. The angular distribution of the scattered electrons depends on the proton distribution. The proton distribution can be characterized by an average radius. It is found that nuclear radii range from 1 10 x 10 15 m. This radius is much smaller than that of the atom, which is typically 10 10 m. Thus, the nucleus occupies an extremely small volume inside the atom. The nuclei of some atoms are spherical, while others are stretched or flattened into deformed shapes.
The binding energy of a nucleus is the energy holding a nucleus together. This energy varies from nucleus to nucleus and increases as A increases. Because of variations in binding energy, some nuclei are unstable and decay into other ones. The rate of decay is related to the mean lifetime of the decaying nucleus. The time required for half of a population of unstable nuclei to decay is called the half-life. Half-lives vary from tiny fractions of a second to billions of years.
The Isotopes of Hydrogen
It is often useful to study the simplest system. Therefore, hydrogen, the simplest
nucleus, has been studied extensively. The isotopes of hydrogen show many of the effects found in more complicated nuclei. (The word isotope refers to a nucleus with the same Z but different A).
There are three isotopes of the element hydrogen: hydrogen, deuterium, and tritium. How do we distinguish between them? They each have one single proton (Z = 1), but differ in the number of their neutrons. Hydrogen has no neutron, deuterium has one, and tritium has two neutrons. The isotopes of hydrogen have, respectively, mass numbers of one, two, and three. Their nuclear symbols are therefore 1H, 2H, and 3H. The atoms of these isotopes have one electron to balance the charge of the one proton. Since chemistry depends on the interactions of protons with electrons, the chemical properties of the isotopes are nearly the same.
Energy may be released as a packet of electromagnetic radiation, a photon. Photons created in nuclear processes are labeled gamma rays (denoted by the Greek letter gamma, ). For example, when a proton and neutron combine to form deuterium, the reaction can be written 1n 1H 2H . Energy must balance in this equation. Mass can be written in atomic mass units (u) or in the equivalent energy units of million electron-volts divided by the square of the speed of light (MeV)/c2. (From Einstein’s mass-energy equivalence equation, E = mc2, u = 931.5 MeV/c2.) The mass of the deuterium nucleus (2.01355 u) is less than the sum of the masses of the proton (1.00728 u) and the neutron (1.00866 u), which is 2.01594 u. Where has the missing mass (0.00239 u) gone? The answer is that the attractive nuclear force between the nucleons has created a negative nuclear potential energy—the binding energy EB —that is related to the missing mass, m (the difference between the two masses). The photon released in forming deuterium has an energy of 2.225 MeV, equivalent to the 0.00239 u required to separate the proton and neutron back into unbound particles. The nuclear decay photons are, in general, higher in energy than photons created in atomic processes. When tritium is formed by adding a neutron to deuterium, 1n 2H 3H , a larger amount of energy is released—6.2504 MeV. The greater binding energy of tritium compared to deuterium shows that the nuclear potential energy does not grow in a simple way with the addition of nucleons (the total binding energy is roughly proportional to A).
The binding energy per nucleon continues to grow as protons and neutrons are added to construct more massive nuclei until a maximum of about 8 MeV per nucleon is reached around A = 60, past which the average binding energy per nucleon slowly decreases. How does a nucleus, which can have up to approximately 100 protons, hold itself together? Why does the electrical repulsion among all those positive charges not cause the nucleus to break up? There must be an attractive force strong enough to be capable of overcoming the repulsive Coulomb forces between protons. Experiment and theory have come to recognize an attractive nuclear interaction that acts between nucleons when they are close enough together (when the range is short enough). The balance between electromagnetic and nuclear forces sets the limit on how large a nucleus can grow.
Theoretical Models
A goal of nuclear physics is to account for the properties of nuclei in terms of mathematical models of their structure and internal motion. Three important nuclear models are the Liquid Drop Model, the Shell Model (developed by Maria Goeppert-Mayer and Hans Jensen), which emphasizes the orbits of individual nucleons in the nucleus, and the Collective Model (developed by Aage Bohr and Ben Mottleson), which complements the shell model by including motions of the whole nucleus such as rotations and vibrations.
The Liquid Drop Model treats the nucleus as a liquid. Nuclear properties, such as the binding energy, are described in terms of volume energy, surface energy, compressibility, etc.—parameters that are usually associated with a liquid. This model has been successful in describing how a nucleus can deform and undergo fission.
The Nuclear Shell Model is similar to the atomic model where electrons arrange themselves into shells around the nucleus. The least-tightly-bound electrons (in the incomplete shells) are known as valence electrons because they can participate in exchange or rearrangement, that is, chemical reactions. The shell structure is due to the quantum nature of electrons and the fact that electrons are fermions—particles of half-integer spin. Particles with integer spin are bosons. A group of bosons all tend to occupy the same state (usually the state with the lowest energy), whereas fermions with the same quantum numbers do just the opposite: they avoid each other. Consequently the fermions in a bound system will gradually fill up the available states: the lowest one first, then the next higher unoccupied state, and so on up to the valence shell. In atoms, for example, the electrons obey the Pauli Exclusion Principle, which is responsible for the observed number of electrons in each possible state (at most 2) characterized by quantum numbers n, l, and m. It is the Pauli Principle (based on the fermionic nature of electrons) that gives the periodic structure to both atomic and nuclear properties.
Since protons and neutrons are also fermions, the energy states the nucleons occupy are filled from the lowest to the highest as nucleons are added to the nucleus. In the shell model the nucleons fill each energy state with nucleons in orbitals with definite angular momentum. There are separate energy levels for protons and neutrons. The ground state of a nucleus has each of its protons and neutrons in the lowest possible energy level. Excited states of the nucleus are then described as promotions of nucleons to higher energy levels. This model has been very successful in explaining the basic nuclear properties. As is the case with atoms, many nuclear properties (angular momentum, magnetic moment, shape, etc.) are dominated by the last filled or unfilled valence level. The Collective Model emphasizes the coherent behavior of all of the nucleons. Among the kinds of collective motion that can occur in nuclei are rotations or vibrations that involve the entire nucleus. In this respect, the nuclear properties can be analyzed using the same description that is used to analyze the properties of a charged drop of liquid suspended in space. The Collective Model can thus be viewed as an extension of the Liquid Drop Model; like the Liquid Drop Model, the Collective Model provides a good starting point for understanding fission.
In addition to fission, the Collective Model has been very successful in describing a variety of nuclear properties, especially energy levels in nuclei with an even number of protons and neutrons. These even nuclei can often be treated as having no valence particles so that the Shell Model does not apply. These energy levels show the characteristics of rotating or vibrating systems expected from the laws of quantum mechanics. Commonly measured properties of these nuclei, including broad systematics of excited state energies, angular momentum, magnetic moments, and nuclear shapes, can be understood using the Collective Model.
The Shell Model and the Collective Model represent the two extremes of the behavior of nucleons in the nucleus. More realistic models, known as unified models, attempt to include both shell and collective behaviors.
Sub-nucleonic Structure and the Modern Picture of a Nucleus
Do protons and neutrons have internal structure? The answer is yes. With the development of higher and higher energy particle accelerators, physicists have found experimentally that the nucleons are complex objects with their own interesting internal structures. One of the most significant developments in modern physics is the emergence of the Standard Model of Fundamental Interactions. This model states that the material world is made up of two categories of particles, quarks and leptons, together with their antiparticle counterparts. The leptons are either neutral (such as the neutrino) or carry one unit of charge, e (such as the electron, muon, and tau). The quarks are pointlike objects with charge 1/3e or 2/3 e. Quarks are spin-1/2 particles, and therefore are fermions, just as electrons are. The quarks and leptons can be arranged into three families. The up- and downquarks with the electron and the electron neutrino form the family that makes up ordinary matter. The other two families produce particles that are very short-lived and do not significantly affect the nucleus. It is a significant fact in the evolution of the universe that only three such families are found in nature—more families would have lead to a quite different world.
One could imagine, then, trying to understand the structure of protons and neutrons in terms of the fundamental particles described in the Standard Model. Because the protons and neutrons of ordinary matter are affected by the strong interaction (i.e., the interaction that binds quarks and that ultimately holds nuclei together), they fall into the category of composite particles known as hadrons. Hadrons that fall into the subcategory known as baryons are made of three quarks. Protons, which consist of two up and one down quark, and neutrons (two down and one up quark) are baryons. There are also hadrons called mesons, which are made of quark-antiquark pairs, an example of which is the pion.
Because baryons and mesons have internal quark structure, they can be put into excited states, just as atoms and nuclei can. This requires that energy be deposited in them. One example is the first excited state of the proton, usually referred to as the Delta-1232 (where 1232 MeV/c2 is the mass of the particle). In the Delta, it is thought that one of the quarks gains energy by flipping its spin with respect to the other two. In an atom, the energy needed to excite an electron to a higher state is on the order of a few to a thousand electron volts. In comparison, in a nucleus, a single nucleon excitation typically costs an MeV (106 eV). In a proton, it takes about 300 MeV to flip the spin of a quark. This kind of additional energy is generally only available by bombarding the proton with energetic particles from an accelerator.
Finding a proper theoretical description of the excited states of baryons and mesons is an active area of research in nuclear and particle physics. Because the excited states are generally very short-lived; they are often hard to identify. Research tools at the newly commissioned Jefferson Lab have been specially designed to look at the spectrum of mesons and baryons. Such research is also being actively pursued at Brookhaven National Laboratory and at many other laboratories. To study the Standard Model, accelerators that produce much higher energy beams are often needed. Such facilities include Fermilab, near Chicago, SLAC at Stanford, and CERN in Geneva.
Accelerators for nuclear physics are described in more detail in Chapter 11.
Chapter 13 “... but What is it Good for?”
As in other scientific fields, nuclear scientists generally work with a great interest and excitement for the science. Understanding the building blocks of nature and the physical laws that govern them is the ultimate goal. On the other hand, members of the public are the taxpayers who finance most research in basic science and, understandably, often want to see something more concrete emerge from their investments, some further benefit to society. In the century since Rutherford discovered the nucleus, numerous applications take advantage of one or more of the following: 1) the properties of nuclei, 2) measurement techniques developed in nuclear physics, 3) particle accelerators, and 4) other tools of nuclear science such as detectors.
These applications benefit disciplines as diverse as medicine, biology, art, archaeology, energy, materials science, space exploration, and the environment. Many of these applications are detailed in Fig. 13-1. Only, a sample of them will be described in this chapter. The energy applications of nuclear science are described separately in Chapter 14.
The following examples are illustrative of the wide variety of applications of nuclear science. While some of these applications are very specific and have little effect on our daily lives, many of these applications are all pervasive. We probably use some electricity generated by nuclear reactors, protect our homes with smoke alarms, and have all been affected by the geopolitics of nuclear weapons.
Smoke Detectors
Most common smoke detectors contain a small amount of 241Am, a radioactive isotope. 241Am is produced and recovered from nuclear reactors. Alpha particles emitted by the decays of 241Am ionize the air (split the air molecules into electrons and positive ions) and generate a small current of electricity that is measured by a current-sensitive circuit. When smoke enters the detector, ions become attached to the smoke particles, which causes a decrease in the detector current. When this happens, an alarm sounds. These detectors provide warning for people to leave burning homes safely. Many lives have been saved by their use.
Because the distance alpha particles travel in air is so short, there is no risk of being exposed to radiation by having a smoke detector in the house. Since ionization-type smoke detectors contain radioactive materials, they should be recycled or disposed of as radioactive waste. It is important to follow the instructions that come with the smoke alarm when they need to be discarded.
Nuclear Medicine
Radioisotopes for diagnosis and treatment
One major use of radioisotopes is in nuclear medicine. Of the 30 million people who are hospitalized each year in the United States, 1/3 are treated with nuclear medicine. More than 10 million nuclear-medicine procedures are performed on patients and more than 100 million nuclear-medicine tests are performed each year in the United States alone. A comparable number of such procedures are performed in the rest of the world.
There are nearly one hundred radioisotopes whose beta and/or gamma radiation is used in diagnosis, therapy, or investigations in nuclear medicine. The most used radioisotopes were discovered before World War II using the early cyclotrons of Ernest Lawrence, with the initial applications to medicine being developed by his brother John Lawrence. Some of the most well known radioisotopes, discovered by Glenn Seaborg and his coworkers, are 131I (discovered in 1938), 60Co (1937), 99mTc (1938), and 137Cs (1941).
By 1970, 90 percent of the 8 million administrations per year of radioisotopes in the United States utilized either 131I, 60Co, or 99mTc. Today, 99mTc, with a half life of 6 hours, is the workhorse of nuclear medicine. It accounts for more than 10 million diagnostic procedures a year in the United States. It is used for brain, bone, liver, spleen, kidney, lung and thyroid imaging as well as for blood-flow studies.
131I, with a half-life of 8 days, is used to diagnose and treat thyroid disorders.
Seaborg’s mother was one of the first to benefit from the use of this radioisotope that her son had discovered. Fatally ill from hyperthyroidism, (a related condition from which her sister died), diagnosis and treatment with 131I led to her complete recovery and a long life. Former President George Bush and First Lady Barbara Bush are some notable people who were successfully treated for Graves' disease, a thyroid disease, with 131I. Radioactive iodine treatment is so successful that it has virtually replaced thyroid surgery.
A very effective role for radioisotopes in nuclear medicine is the use of short-lived positron emitters such as 11C, 13N, 15O, or 18F in a process known as Positron Emission Tomography (PET). Incorporated in chemical compounds that selectively migrate to specific organs in the body, diagnosis is effected by detecting annihilation gamma rays—two gamma rays of identical energy emitted when a positron and an electron annihilate each other. These gamma rays have the very useful property that they are emitted in exactly opposite directions. When both are detected, a computer system may be used to reconstruct where the annihilation occurred. By attaching a positron emitter to a protein or a glucose molecule, and allowing the body to metabolize it, we can study the functional aspect of an organ such as the human brain. The PET image shows where the glucose has been absorbed (Fig. 13-2a).
PET imaging becomes even more valuable when we can observe the functional image compared to the anatomical image. Magnetic Resonance Imaging (MRI)—originally known as Nuclear Magnetic Resonance Imaging—can provide very detailed images of the anatomy as shown in the second image shown in Fig. 13-3b. These techniques provide researchers a better understanding of what is healthy tissue versus what is diseased.
Radioactive Dating
The technique of comparing the abundance ratio of a radioactive isotope to a reference isotope to determine the age of a material is called radioactive dating. Many isotopes have been studied, probing a wide range of time scales. The isotope 14C, a radioactive form of carbon, is produced in the upper atmosphere by neutrons striking 14N nuclei. The neutron is captured by the 14N nucleus and knocks out a proton. Thus, we have a different element, 14C. The isotope,14C, is transported as 14CO2, absorbed by plants, and eaten by animals. If we were to measure the ratio of 14C to 12C today, we would find a value of about one 14C atom for each one trillion 12C atoms.
This ratio is the same for all living things—the same for humans as for trees or algae. Once living things die, they no longer can exchange carbon with the environment. The isotope 14C is radioactive, and beta-decays with a half-life of 5,730 years. This means that in 5,730 years, only half of the 14C will remain, and after 11,460 years, only one quarter of the 14C remains. Thus, the ratio of 14C to 12C will change from one in one trillion at the time of death to one in two trillion 5,730 years later and one in four trillion 11,460 years later. Very accurate measurements of the amount of 14C remaining, either by observing the beta decay of 14C or by accelerator mass spectroscopy (using a particle accelerator to separate 12C from 14C and counting the amount of each) allows one to date the death of the once-living things.
Perhaps you have heard of Iceman, a man living in the Alps who died and was entombed in glacial ice until recently when the ice moved and melted. The man's body was recovered and pieces of tissue were studied for their 14C content by accelerator mass spectroscopy. The best estimate from this dating technique says the man lived between 3350 and 3300 BC. The boat of a pharaoh was discovered in a sealed crypt and reassembled in a museum near the pyramids (see Fig. 13-3). Its wood was dated using 14C to be about 4,500 years old.
Other methods of dating are used for non-living things. 40K decays with a half-life of 1.3 x 109 years to 40Ar, which can be trapped in rocks. A potassium-argon method of dating, developed in 1966, measures the amount of 40Ar arising from the 40K decay and is compared to the amount of 40K remaining in the rock. From the ratio, the time since the formation of the rock can be calculated.
The age of our galaxy and earth also can be estimated using radioactive dating.
Using the decays of uranium and thorium, our galaxy has been found to be between 10 and 20 billion years old and the earth has been found to be 4.6 billion years old. The Universe must be older than our galaxy. Within experimental error, this estimate agrees with the 15 billion-year estimate of the age of the Universe.
Translation - French Chapitre 1 : présentation
La Nuclear Science Wall Chart (Charte des sciences nucléaires) a été rédigée dans le but d’expliquer au grand public les concepts fondamentaux de la structure nucléaire, de la radioactivité et des réactions nucléaires mais aussi pour mettre en évidence les thèmes de recherche et d’intérêt actuels dans le domaine. Ce document s’inscrit dans la même lignée que les deux brillantes présentations élaborées précédemment par le Contemporary Physics Education Projet (CPEP). La première se penche sur le modèle standard des particules élémentaires tandis que la seconde aborde le thème de la fusion et de la physique des plasmas. La terminologie nouvelle et les concepts de physique figurant dans la charte sont expliqués dans les chapitres suivants ainsi que dans le glossaire.
Les sciences nucléaires concernent l’étude de la structure, des propriétés et des interactions du noyau atomique, le cœur des atomes, où réside la majeure partie de la masse de la matière ordinaire. Comprendre le comportement de la matière nucléaire en conditions normales et en conditions éloignées de la normale constitue un défi de taille. Des conditions extrêmes qui existaient juste après la création de l’univers, se retrouvent aujourd’hui dans le cœur des étoiles et peuvent être recréées dans les laboratoires lors des collisions entre les noyaux. Les chercheurs en nucléaire procèdent à des expérimentations en mesurant les propriétés, les formes et les désintégrations des noyaux avant et lors des collisions. Différentes questions se posent : pourquoi les nucléons restent-ils dans le noyau ? Quelles combinaisons de protons et de neutrons sont possibles ? Que se passe-t-il quand les noyaux sont comprimés ? Quelle est l’origine des noyaux atomiques que l’on trouve sur terre ? Les chercheurs effectuent des recherches théoriques et expérimentales au moyen d’accélérateurs à haute énergie, de détecteurs innovants et d’équipements informatiques de pointe.
LA CHARTE EN QUELQUES MOTS
1. Le noyau atomique
Le noyau atomique est composé de nucléons, ensemble de protons et neutrons qui sont constitués à leur tour de quarks et dont la cohésion est assurée par la forte interaction générée par l’échange de gluon entre les quarks. Dans les noyaux à multiples nucléons, les interactions fortes effectives peuvent être décrites par l’échange de mésons (particules composées de pairs quarks-antiquarks). Un proton est constitué de deux quarks up et un quark down ainsi que d’éléments de courte durée de vie issus des interactions fortes du champ. La composition du neutron est semblable. Cependant, celui-ci présente deux quarks down et un quark up. Si les physiciens sont convaincus que les nucléons sont composés de quarks, aucun n’a encore été isolé de façon expérimentale. L’énergie apportée dans le noyau dans le but de séparer les quarks les renforce. Quand elle est suffisamment importante, un apport supplémentaire d’énergie engendre de nouvelles particules au lieu de libérer des quarks.
2. Carte des nucléides
Dans la Carte des nucléides le noyau atomique est accompagné de son numéro atomique Z et du nombre de neutron N. Chaque case représente un nucléide particulier et son code couleur est choisi en fonction de son premier mode de désintégration. Lesdits « numéros magiques » sont les suivants : 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126. Ils correspondent à la limite des principales couches nucléaires (plutôt comparable aux couches atomiques des électrons) et augmentent la stabilité nucléaire. Les isotopes possédant des protons et des neutrons de même numéro magique sont appelés « doublement magique » et sont d’une stabilité exceptionnelle.
3. Radioactivité
Les atomes sont radioactifs si les protons et les neutrons dans le noyau possèdent une configuration instable. Lorsqu’il y a peu de protons (Z), le nombre de neutrons (N) nécessaire pour maintenir l’équilibre équivaut plus ou moins au nombre des protons. Par exemple, il y a 6 protons et 6 neutrons dans le noyau atomique de la forme la plus commune du carbone. Pour un nombre élevé de protons dans le noyau, la force électrique répulsive entre ces derniers entraîne la stabilité du noyau, ce qui profite aux neutrons. Un noyau stable de plomb contient 126 neutrons et 82 protons. Un atome radioactif qui présente un déséquilibre entre le nombre de protons et le nombre de neutrons cherche une disposition plus stable par la désintégration radioactive. Celles-ci se produisent de façon aléatoire dans le temps, cependant on sait qu’une grande quantité de matière radioactive possède une durée de vie moyenne. Les produits de désintégration habituels sont désignés par les trois premières lettres de l’alphabet grec : alpha (), beta () et gamma (). Lors d’une désintégration alpha, le noyau d’hélium s’échappe. L’émission alpha réduit le nombre de protons et de neutrons par deux dans le noyau. La désintégration bêta peut résulter soit d’une émission d’un électron et d’un antineutrino soit d’une émission de leurs antiparticules, un positron et un neutrino. Elle inverse le nombre de protons et de neutrons dans le noyau et implique la capture d’un électron par un noyau. Au cours de la désintégration gamma une forte énergie de photon se dégage du noyau et lui permet d’atteindre une configuration plus stable et plus faible en énergie. La fission spontanée d’un noyau lourd en produits plus légers est également une forme de radioactivité.
4. Expansion de l’univers
La création de l’univers remonte à 15 milliards d’années lors de ce que l’on appelle le Big Bang. Environ une microseconde plus tard, l’univers comptait principalement des quarks et des gluons. Tandis qu’il était en continuelle expansion, la température, elle, ne cessait de chuter pour finalement être suffisamment basse et permettre aux quarks et aux gluons de se condenser dans les nucléons, qui par la suite donnèrent naissance à l’hydrogène et à l’hélium. On trouve encore des restes d’hydrogène et d’hélium primitifs dans l’espace interstellaire. Finalement, les inhomogénéités de densité ont permis aux interactions gravitationnelles de former d’importants nuages d’hydrogène. Les inhomogénéités locales de ces nuages sont à l’origine de la création et de l’accumulation des étoiles dans des galaxies. Depuis le Big Bang, l’univers n’a cessé de s’étendre et de se refroidir. Sa température actuelle est de seulement 2,7 Kelvin.
Une fois l’hydrogène et l’hélium, issus du Big Bang, condensés dans les étoiles, des réactions nucléaires en série se produisent dans le cœur des étoiles géantes générant davantage de noyaux lourds jusqu’à obtenir l’élément fer. À la mort d’une étoile, lors d’explosions de supernovae, des noyaux plus lourds se forment. Ces éléments se dispersent dans l’espace où ils se mélangent par la suite à des gaz interstellaires pour former de nouvelles étoiles et leurs planètes. La Terre et ses occupants, qu’ils soient vivants ou non vivants, sont issus de ces processus astrophysiques nucléaires.
5. Phases de la matière nucléaire
Nous savons que l’eau existe sous trois états ou phases : solide, liquide et gazeux, que l’on connait comme la glace, l’eau et la vapeur. C’est la température et la pression qui déterminent l’état des molécules d’eau. De la même manière, les protons et les neutrons se rencontrent également sous différentes formes selon la densité et la température nucléaire locale. Les noyaux atomiques normaux se trouveraient à l’état liquide.
On trouve de la matière nucléaire dans les étoiles à neutrons, à la création de l’univers ou dans le plasma quark-gluon. Les scientifiques étudient ces états en faisant entrer en collision des faisceaux de particules accélérées afin de reproduire des conditions extrêmes. Jusqu’à présent, aucune expérience n’a pas pu recréer le plasma quark-gluon.
6. Noyau atomique instable
Si la Carte des nucléides recense environ 2500 nucléides différents, des modèles actuels estiment que 4000 autres peuvent encore être découverts. La « drip line » ou ligne d’instabilité de protons et de neutrons détermine le stade où les noyaux avec un rapport protons/neutrons (N/Z) extrême présenteraient une instabilité telle que les forces nucléaires ne pourraient plus former. Des scientifiques s’efforcent de tester la limite de ce rapport et tentent de découvrir les éléments les plus lourds de la Carte des nucléides. L’élément 118 (dont le nom reste à déterminer) est l’élément non naturel le plus lourd jamais créé. Le produit issu de sa chaîne de désintégration alpha a permis d’identifier le noyau atomique parent uniquement à partir de quelques noyaux.
7. Energie nucléaire
Il y a fission lorsque le noyau atomique d’un atome se divise en deux noyaux plus petits. Elle se produit spontanément mais elle peut également être induite par la capture d’un neutron. Par exemple, l’état d’excitation de l’uranium (provoqué par la capture neutronique) peut engendrer deux noyaux « filles » plus petits. Les produits de fission émettent généralement des neutrons car le rapport N/Z est plus important avec Z plus élevé. Une configuration adéquate d’atomes d’uranium permet aux neutrons issus de la première fission d’être capturés et de provoquer ainsi davantage de fission de noyaux d’uranium. Ce processus de « réaction en chaîne » augmente exponentiellement le nombre de ces atomes. Chacun d’entre eux, libère une quantité considérable d’énergie. Ce phénomène est contrôlé au sein des réacteurs nucléaires, où les barres de commande capturent l’excès de neutrons, les empêchant d’être capturés par d’autres noyaux d’uranium et de provoquer une autre fission. Les réacteurs nucléaires sont conçus pour que la libération d’énergie soit lente et permette d’en faire une source de production exploitable contrairement à une bombe atomique où la réaction en chaîne est d’une rapidité explosive.
La fusion se produit lorsque deux noyaux s’assemblent pour former un noyau plus grand. La fusion de noyaux contenant peu de protons dégage une quantité d’énergie considérable : la source d’énergie du soleil. Quatre noyaux d’hydrogène (protons) s’assemblent lors d’un processus en plusieurs étapes pour donner lieu à un noyau d’hélium. Il existe des processus de fusion plus complexes encore qui impliquent des noyaux plus lourds. L’énergie nécessaire pour supporter une répulsion électrique mutuelle de deux noyaux est colossale. C’est pourquoi la fusion ne peut se produire que dans des conditions extrêmes comme celles que l’on trouve dans le cœur des étoiles et dans les accélérateurs de particules nucléaires. La fusion de noyaux possédant un numéro atomique plus élevé nécessite des conditions encore plus extrêmes telles que l’on trouve dans les novae ou les supernovae. Les étoiles sont en fin de compte à l’origine de tous les éléments de la classification périodique. La fusion étant un processus qui nécessite des conditions extrêmes, il est difficile de recréer une réaction nucléaire sur terre. On la retrouve dans les armes thermonucléaires, où elle est incontrôlée. On a déjà pu recréer la fusion contrôlée libérant de l’énergie, cependant aucune méthode commerciale viable n’a été mise au point pour générer de l’électricité.
8. Application
La recherche fondamentale en nucléaire a mis en évidence des bénéfices dont les retombées dépassent les attentes des recherches poursuivies initialement et souvent de manière tout à fait inattendue. La science nucléaire continue d’avoir un impact conséquent sur les autres domaines comme la science, la technologie, la médecine, la production énergétique et la sécurité nationale. Les techniques de diagnostique nucléaire ont trouvé de nombreuses applications comme la datation d’objets en archéologie, l’étude des matériaux et la surveillance des changements de l’environnement.
Chapitre 2 : le noyau atomique
La quête de la particule élémentaire du monde matériel a été le fil conducteur de la recherche scientifique à travers les époques. Beaucoup de grands philosophes antiques issus d’horizons très distincts se sont penchés sur les conséquences de la sous-division d’objets tangibles à structure régulière en éléments de plus en plus petits jusqu'à devenir invisibles. Nombreux d’entre eux étaient persuadés qu’ils obtiendraient ainsi une unité de matière indivisible fondamentale que le grec ancien désigne sous le terme (atome) et dont le sens est “non divisible”. Les atomes sont-ils effectivement ces éléments indivisibles tant cherchés du monde matériel?
L’atome
Dès le début du XXème siècle, des preuves irréfutables ont été apportées pour dire que la matière pouvait s’expliquer à partir des atomes. Autrement dit qu’elle est composée de quelques particules élémentaires que nous appelons atomes. Cette théorie a fourni une explication d’ensemble cohérente pour tous les processus chimiques connus à l’époque. Cependant, il reste certains points que la théorie atomiste ne peut expliquer. En 1896, A.H. Becquerel découvre le rayonnement pénétrant. En 1897, J.J. Thomson démontre que les électrons possèdent une charge électrique négative et proviennent de la matière ordinaire. Celle-ci ne peut être neutre d’un point de vue électrique qu’en présence de charges positives. La question qui se pose alors est : où se trouvent ces charges et quel élément en contient ?
En 1911, Ernest Rutherford et ses paires firent une avancée incroyable lors d’une expérience destinée à déterminer l’angle de dispersion d’un faisceau de particules alpha (noyau d’hélium) après avoir traversé une fine feuille d’or.
Quels résultats pourrait-on attendre d’une telle expérience ? Tout dépend de la structure de l’atome. Le modèle de Thomson ou « far aux pruneaux », modèle de l’atome qui faisait autorité à l’époque, soutient que les électrons chargés négativement (les pruneaux) baignent dans la charge positive (le far). Ce modèle explique la neutralité de la masse ainsi que la description des flux des charges électriques. D’après ce modèle, les particules alpha ne devraient que légèrement se disperser voire pas du tout pour la grande majorité.
Les résultats mis en évidence dans l’expérience de Rutherford sont incroyables. La plupart des particules alpha réagirent comme prévu et se sont à peine dispersée. Cependant, certaines ont été déviées à plus de 90 degrés, phénomène tout à fait improbable si l’on en croit le modèle du far aux pruneaux. Cette expérience fut incontestablement la preuve de l’existence d’un noyau dans le modèle de l’atome. Le seul modèle valable à la lumière de l’expérience de Rutherford est celui d’un petit noyau central abritant une charge positive ainsi que la plupart de la masse atomique tandis que la majorité du volume de l’atome contient des électrons discrets en orbite autour du noyau central.
La théorie électromagnétique classique affirme qu’une charge qui se déplace sur une trajectoire circulaire perd de l’énergie. Si dans le modèle de Rutherford, les électrons décrivent une orbite autour du noyau comme le font les planètes autour du soleil, il échoue, cependant, à expliquer pourquoi les forces de Coulomb n’a aucun effet sur l’affaiblissement énergétique des électrons et leur chute dans le noyau. Ce problème de stabilité a été résolu par Niels Bohr en 1913 grâce à la mise au point d’un nouveau modèle qui justifie ce phénomène par des orbites particulières et expliquerait pourquoi les électrons tomberaient de façon hélicoïdale dans le noyau. Ce modèle est non seulement à l’origine de la physique quantique, laquelle permet d’expliquer de nombreuses propriétés des atomes, mais il reste aujourd’hui une bonne façon de décrire les niveaux d’énergie des atomes d’hydrogène.
Le noyau atomique
De nos jours, on décrit le noyau atomique comme un système quantique composé de protons et de neutrons, particules de masse quasi égale et de même moment angulaire intrinsèque (spin) de ½. Le proton porte une unité de charge électrique positive tandis que le neutron est dépourvu de toute charge. Le terme nucléon est utilisé aussi bien pour désigner un proton qu’un neutron. L’hydrogène est le noyau le plus simple ; il est formé d’un seul proton tandis que le noyau le plus lourd jamais étudié se compose de prés de 300 nucléons. On détermine un noyau atomique par son numéro atomique Z (par exemple, le nombre de protons), le nombre de neutrons N et le nombre de masse A, (A = Z N).
Fig. 2-2. Le noyau atomique est désigné par son numéro atomique Z et son nombre de masse A, ainsi que par son symbole chimique. Le nombre de neutrons est obtenu par l’opération N = A – Z.
Que savons-nous d’autre à propos du noyau atomique ? En plus de son numéro et de son nombre de masse, il est également caractérisé par sa taille, sa forme, son énergie de liaison, son moment angulaire et sa demi-vie (s’il est instable). Une des meilleures façons de déterminer la taille d’un noyau atomique est de disperser les électrons de haute énergie. La répartition angulaire de ces électrons dépend de la répartition des protons. Celle-ci peut être caractérisée par le rayon moyen qui mesure 1-10 x 10-15 m. Ce rayon est bien plus petit que celui de l’atome, lequel atteint généralement 10-10 m. Par conséquent, le noyau atomique occupe un volume extrêmement petit au sein de l’atome. Certains sont de forme sphérique, d’autres possèdent des formes plus étendues ou aplaties.
L’énergie de liaison d’un noyau atomique correspond à l’énergie qui maintient ses éléments constitutifs ensemble. Cette énergie varie d’un noyau à l’autre et augmente en même temps que A. En raison des variations de l’énergie de liaison, certains noyaux sont instables et se désintègrent pour donner naissance à d’autres noyaux. Le rythme de désintégration est lié à la durée de vie moyenne des noyaux en désintégration. Le temps nécessaire à la moitié d’une population de noyaux instables pour se désintégrer est appelé demi-vie. Leur durée peut varier de quelques fractions de secondes à des milliards d’années.
Les isotopes de l’hydrogène
Il est souvent intéressant d’étudier les éléments les plus simples. C’est pourquoi, l’hydrogène a fait l’objet de recherches approfondies. Les isotopes de l’hydrogène présentent beaucoup d’effets que l’on retrouve sur les noyaux plus complexes. (Le terme isotope fait référence à un noyau doté d’un même nombre de protons mais possédant une masse atomique différente).
Il existe trois isotopes de l’élément hydrogène : hydrogène, deutérium et tritium. Comment faire pour les différencier ? Chacun d’entre eux possède un seul proton (Z = 1), mais ils se distinguent par le nombre de neutrons. L’hydrogène ne dispose d’aucun neutron, le deutérium en compte un et le tritium en possède deux. Les isotopes de l’hydrogène présentent respectivement un nombre de masse de 1, 2 et 3. Leur symbole nucléaire est donc 1H, 2H et 3H. Les atomes de ces isotopes ont un électron pour équilibrer la charge de leur proton. Étant donné que la chimie dépend des interactions des protons et des électrons, les propriétés chimiques des isotopes sont pratiquement les mêmes.
L’énergie peut être libérée tel un « paquet » de radiations électromagnétiques, le photon. Les photons créés lors d’un processus nucléaire sont dits rayons gamma (désignés par la lettre grecque gamma ). Par exemple, lorsqu’un proton et un neutron s’assemblent pour former du deutérium, la réaction peut être écrite sous la forme 1n 1H 2H . Cette équation requiert que l’énergie soit équilibrée. La masse peut être écrite en unités de masse atomique (u) ou en mégaélectronvolts divisés par le carré de la vitesse de la lumière (MeV)/c2 (issu de l’équation équivalence masse énergie d’Einstein E = mc2, u = 931,5 MeV/c2). La masse d’un noyau de deutérium (2.01355 u) est inférieure à la somme des masses du proton (1.00728 u) et du neutron (1.00866 u) qui est égale à 2,01594 u. Où est donc passé le reste de la masse (soit 0,00239 u) ? La force nucléaire attractive entre les nucléons crée une énergie potentielle nucléaire négative (l’énergie de liaison EB) qui a un impact sur la masse manquante, m (la différence entre deux masses). Le photon libéré en formant le deutérium dégage une énergie de 2,225 MeV, égale au 0,00239 u nécessaire pour séparer le proton et le neutron et pour les transformer à nouveau en particules libres. Les photons issus de la désintégration nucléaire libèrent, en général, une énergie plus grande que ceux qui sont créés lors de processus atomiques. Lorsque le deutérium se transforme en tritium par l’ajout d’un neutron, 1n 2H 3H , une plus grande quantité d’énergie est libérée (6,2504 MeV). L’énergie de liaison plus importante du tritium par rapport au deutérium montre bien que l’énergie potentielle nucléaire n’augmente pas simplement en ajoutant des nucléons (l’énergie de liaison totale est plus ou moins proportionnelle à A).
L’énergie de liaison par nucléon augmente à mesure que le nombre de protons et de neutrons se rajoute pour former un noyau atomique plus important. Il faut savoir que la limite est environ de 8 MeV par nucléon et qu’elle est atteinte quand le nombre de masse est environ égal à 60. Au-delà, l’énergie de liaison moyenne par nucléon diminue lentement. Comment un noyau atomique, composé jusqu’à près de 100 protons, peut-il se maintenir ? Pourquoi ne se disperse t-il pas sous l’action de la répulsion électrique existant entre toutes ces charges positives ? Une force d’attraction suffisamment puissante doit être exercée pour surmonter les forces répulsives de Coulomb entre les protons. Des expériences et des théories sont parvenues à mettre en évidence une interaction nucléaire attractive qui agit entre les nucléons quand ils sont suffisamment proches (lorsque la portée est assez courte). L’équilibre entre l’électromagnétique et les forces nucléaires limite la croissance du noyau.
Modèles théoriques
La physique nucléaire vise à expliquer les propriétés de la structure et les mouvements internes du noyau en termes de modèles mathématiques. Trois modèles nucléaires principaux ont été proposés à savoir, le modèle de la goutte liquide, le modèle en couches (développés par Maria Goeppert-Mayer et Hans Jensen) qui insistent sur les orbites de chaque nucléon dans le noyau et le modèle collectif (mis au point par Aage Bohr et Bne Mottleson), qui vient compléter le modèle en couches en incluant des mouvements du noyau entier tels que les rotations et les vibrations.
Le modèle de la goutte liquide considère le noyau comme un liquide. Les propriétés nucléaires, telles que l’énergie de liaison sont décrites en termes de volume d’énergie, compressibilité, etc. (les paramètres qui sont généralement associés à un liquide). Ce modèle est parvenu à décrire la façon dont un noyau se déforme et subit la fission.
Le modèle en couches est semblable au modèle atomique dans lequel les électrons se disposent en couches autour du noyau. Les électrons les plus écartés des autres (dans une couche incomplète) sont appelés les électrons de valence car ils peuvent participer aux échanges ou aux réarrangements, c’est-à-dire aux réactions chimiques. La structure en couches est due à la nature quantique des électrons et tient au fait que ces derniers sont des fermions (particules à spin demi entier). Les particules à spin entier sont appelés les bosons. Un groupe de bosons a tendance à occuper le même état (généralement l’état avec l’énergie la plus basse) contrairement aux fermions de même nombre quantique, qui s’évitent. Par conséquent, les fermions dans un système limité remplissent progressivement les états disponibles : d’abord l’état le plus faible, puis l’état libre de plus en plus élevé et ainsi de suite jusqu'à atteindre la couche de valence. Dans les atomes, par exemple, les électrons obéissent au principe d’exclusion de Pauli qui explique le nombre d’électrons observé dans chaque état possible (deux au plus) caractérisé par les nombres quantiques n, l et m. C’est le principe de Pauli (dû à la nature fermionique des électrons) qui donne la structure périodique à la fois aux propriétés nucléaires et aux propriétés atomiques.
Etant donné que les neutrons et les protons sont également des fermions, ils remplissent les états énergétiques du plus faible vers le plus élevé à mesure qu’ils s’intègrent au noyau. Dans le modèle en couches, les nucléons en orbite à un moment angulaire donné remplissent chaque état énergétique. Il s’agit de niveaux d’énergie distincts pour les protons et les neutrons. L’état fondamental du noyau abrite tous les protons et neutrons au niveau énergétique le plus bas possible. Les états excités des noyaux sont par conséquent décrits comme une ascension des nucléons vers des niveaux énergétiques plus élevés. Ce modèle a permis d’expliquer les propriétés nucléaires basiques. Comme c’est le cas pour les atomes, de nombreuses propriétés nucléaires (moment angulaire, moment magnétique, forme, etc.) sont influencées par la dernière couche de valence, pleine ou vide. Le modèle collectif souligne le comportement logique de tous les nucléons. Parmi les différents types de mouvements collectifs pouvant se produire dans un noyau on distingue les rotations ou les vibrations, et ce, sur tout le noyau. D’ailleurs, les propriétés nucléaires peuvent être comparées à une goutte liquide chargée électriquement et suspendue dans l’espace. Le modèle collectif peut ainsi être vu comme un prolongement du modèle de la goutte liquide, car tout deux proposent un bon point de départ pour comprendre le phénomène de fission.
En plus de la fission, le modèle collectif a permis de décrire une variété de propriétés nucléaires, en particulier, les niveaux énergétiques du noyau avec un nombre pair de protons et de neutrons. Ces niveaux d’énergie montrent les caractéristiques des systèmes de rotation et de vibration attendues par la loi de la physique quantique. Les propriétés habituellement mesurées de ces noyaux, qui incluent l’ensemble des systèmes des états énergétiques excités, le moment angulaire, les moments magnétiques et les formes nucléaires, peuvent être comprises à partir du modèle collectif.
Le modèle en couches et le modèle collectif représentent les deux extrêmes des comportements des nucléons dans le noyau. Des modèles plus réalistes, considérés comme étant des modèles unifiés, tentent d’inclure les deux types de comportements.
Structure interne des nucléons et approche moderne du noyau
Les protons et les neutrons ont-ils une structure interne ? La réponse est oui. Grâce à la mise au point d’accélérateurs de particules de plus en plus perfectionnés, les physiciens ont découvert que les nucléons sont des objets complexes dotés d’une structure interne intéressante. L’émergence du modèle standard des interactions fondamentales est une des plus grandes avancées de la physique moderne. Ce modèle affirme que le monde matériel est composé de deux catégories de particules, les quarks et les leptons ainsi que de leurs antiparticules. Les leptons sont soit neutres (tout comme le neutrino) soit ils portent une unité de charge, e (tel que l’électron, muon et tau). Les quarks, particules composées de points possédant une charge de 1/3 e ou 2/3 e, sont des particules à spin demi entier et donc des fermions, tout comme les électrons. On peut classer les quarks et les leptons en trois familles. Les quarks up et down avec les électrons et les électrons neutrino appartiennent à la famille qui compose la matière ordinaire. Les deux autres familles génèrent des particules d’une durée de vie très courte et n’ont pas de grande influence sur le noyau. Il faut savoir que c’est le nombre de famille existant sur terre qui a déterminé l’évolution de l’univers : on n’en compte trois en tout et pour tout (un nombre supérieur aurait donné un monde tout à fait différent).
On peut ainsi imaginer appréhender la structure des protons et des neutrons en termes de particules fondamentales comme décrites dans le modèle standard. Sous l’action de l’interaction forte (l’interaction qui retient les quarks et par conséquent maintient les différents éléments du noyau ensemble), les protons et les neutrons de la matière ordinaire se retrouvent dans la catégorie des particules composites connue comme les hadrons. Les hadrons qui atterrissent dans la catégorie inférieure, celle des baryons, sont composés de trois quarks. Les protons, formés de deux quarks up et un quark down et les neutrons (un quark up et deux quarks down) appartiennent à la catégorie des baryons. Il existe également des hadrons appelés mésons qui sont composés de pairs quark-antiquark, tel que le pion.
En raison de leur structure interne faite de quark, les baryons et les mésons peuvent être excités, de la même manière que les atomes et les noyaux. Il faut pour cela qu’ils reçoivent de l’énergie. Le premier état d’excitation du proton, généralement désigné par le baryon delta 1232 (où 1232 MeV/c2 correspond à la masse de la particule) illustre bien cela. Dans le Delta, un des quarks recevrait de l’énergie en tournant son spin par rapport aux deux autres. Au sein de l’atome, l’énergie nécessaire pour déplacer un électron dans un état plus excité est de l’ordre de quelques milliers d’électronvolts. En comparaison, dans un noyau, l’excitation d’un seul nucléon nécessite un mégaélectronvolt (106 eV) tandis que dans un proton, il faut environ 300 MeV pour tourner le spin d’un quark. Ce type d’énergie supplémentaire ne s’obtiendrait qu’en bombardant des particules énergétiques sur un proton à l’aide d’un accélérateur.
La recherche nucléaire et la physique des particules étudient activement la possibilité d’une description théorique valide des états excités des baryons et des mésons. En raison de leur courte durée de vie, les baryons et les mésons sont souvent difficiles à identifier. Les outils de recherche du laboratoire Jefferson, nouvellement accrédité, ont été spécialement conçus pour regarder dans le spectre des mésons et des baryons. Le laboratoire national Brookhaven (Brookhaven National Laboratory) et beaucoup d’autres laboratoires travaillent également sur ce projet. Pour étudier le modèle standard, ils ont souvent recours à des accélérateurs qui produisent des faisceaux énergétiques bien plus élevés. Parmi ces infrastructures on distingue le Fermilab, près de Chicago, le SLAC à Stanford et le CERN à Genève. Les accélérateurs destinés à la physique nucléaire sont traités plus en détails dans le chapitre 11.
Chapitre 13 : …mais à quoi sert la science nucléaire?
Comme dans les autres domaines scientifiques, les chercheurs en nucléaire portent généralement un grand intérêt et font preuve d’une grande motivation pour la science. Comprendre les particules élémentaires de la nature et les lois de la physique qui les gouvernent est le but ultime. Par ailleurs, les contribuables qui financent la majeure partie de la recherche pour la science fondamentale, souhaitent, bien évidemment, voir des résultats concrets ressortir de ses investissements, à savoir des résultats qui profiteraient à la société. Au cours du siècle où Rutherford découvrit le noyau, de nombreuses applications se sont développées grâce : 1) aux propriétés du noyau, 2) aux techniques de mesure développées en physique nucléaire, 3) aux accélérateurs de particules et 4) aux autres outils de la science nucléaires tels que les détecteurs.
Figure. 13-1. Applications de la science nucléaire.
Ces applications profitent à de nombreuses disciplines aussi diverses que la médecine, la biologie, l’art, l’archéologie, l’énergie, la science des matériaux, l’exploration spatiale et l’environnement. Beaucoup d’entre elles sont détaillées dans la figure 13-1. Seules quelques-unes seront présentées dans ce chapitre. Les applications énergétiques seront décrites à part dans le chapitre 14.
Les exemples suivants illustrent parfaitement la grande variété d’applications permises par la science nucléaire. Si certaines restent limitées à des domaines bien précis et ne se retrouvent pas dans notre quotidien, beaucoup d’autres, en revanche, sont présentes partout. Il y a de grandes chances que l’électricité que vous consommiez provienne d’un réacteur nucléaire, que vous ayez recours à des détecteurs de fumée pour protéger votre maison et que vous soyez soumis à la géopolitiques des armes nucléaires.
Détecteurs de fumée
La plupart des détecteurs de fumée contiennent une petite quantité de 241Am, un isotope radioactif produit et récupéré dans les réacteurs nucléaires. Les particules alpha issues de sa désintégration ionisent l’air (séparent les molécules d’air en électrons et en ions positifs) et génèrent un faible courant électrique qui est mesuré par un circuit de détection de courant. Lorsque la fumée pénètre dans le détecteur, les ions restent accrochés aux particules de fumée, ce qui provoque une baisse de courant du détecteur et déclenche une alarme. Ces détecteurs permettent d’alerter les gens en cas d’incendie et de les faire évacuer. Beaucoup de vies ont ainsi pu être sauvées grâce à leur utilisation.
La distance que parcourent les particules alpha est tellement courte qu’il n’y a aucun risque d’être exposé à des radiations lorsqu’on possède un détecteur de fumée chez soi. Dans la mesure où les détecteurs de fumée par ionisation contiennent des matières radioactives, ils doivent être recyclés ou éliminés comme un déchet radioactif. Au moment de les jeter, il est important de suivre les instructions qui accompagnent le dispositif.
Médecine nucléaire
Diagnostiquer et traiter par radio-isotopes
La médecine nucléaire représente le domaine où les radio-isotopes sont le plus utilisés. Parmi les 30 millions de personnes hospitalisées chaque année aux Etats-Unis, 1/3 est traité grâce à la médecine nucléaire. Plus de 10 millions d’interventions sont pratiquées et plus de 100 millions d’essais sont réalisés chaque année rien qu’aux États-Unis. On compte autant d’interventions de ce type dans le monde.
Il existe près d’une centaine de radio-isotopes dont le rayonnement beta et/ou gamma est utilisé pour diagnostiquer, traiter et faire des recherches dans le domaine de la médecine nucléaire. Les radio-isotopes les plus employés ont été découverts avant la Seconde guerre mondiale grâce aux premiers cyclotrons d’Ernest Lawrence dont les premières applications en médecine ont été développées par son frère John Lawrence. Le 131I (découvert en 1938), le 60Co (1937), le 99mTc (1938) et le 137Cs (1941) sont quelques exemples de radio-isotopes les plus connus découverts par Glenn Seaborg et ses collègues. Dès 1970, 90% des 8 millions de radio-isotopes administrés chaque année aux États-Unis se réalisait avec du 131I, du 60Co ou encore du 99mTc. Aujourd’hui, le 99mTc dont la demi-vie dure 6 heures, est devenu le cheval de trait de la médecine nucléaire et représente plus de 10 millions de méthodes de diagnostic à l’année aux États-Unis. On l’utilise pour l’imagerie du cerveau, des os, du foie, de la rate, des reins, des poumons et de la thyroïde ainsi que pour les études du flux sanguin.
Les troubles thyroïdiens sont diagnostiqués et soignés à l’aide du 131I, dont la demi-vie atteint 8 jours. La mère de Seaborg fut une des premières à bénéficier du radio-isotope découvert par son fils. Gravement atteinte d’hyperthyroïdisme (maladie semblable à celle qui emporta sa sœur), elle a été diagnostiquée et soignée jusqu'à totale guérison grâce au 131I et a finalement vécu de longues années. L’ancien président George Bush et la première dame Barbara Bush, tous deux souffrants de la maladie de Graves, maladie thyroïdienne, ont été traités avec succès au 131I. Le traitement à l’iode radioactif a permis des résultats d’une telle efficacité qu’il a pratiquement remplacé la chirurgie de la thyroïde.
a) b)
Figure 13-2. Image de diffusion par TEP d’un cerveau humain. Image par résonance magnétique d’un cerveau humain.
Les isotopes radioactifs qui émettent des positrons de courte durée de vie tels que le 11C, 13N, 15O ou 18F sont très utiles dans la Tomographie à émission de positrons. Incorporés dans les éléments chimiques qui migrent sélectivement vers les organes spécifiques du corps, le diagnostique est établi par la détection de l’annihilation des rayons gamma (deux rayons gamma de même énergie émis lorsqu’un positron et un électron s’annihilent). Ces rayons gamma ont la particularité d’émettre des rayons dans des directions complètement opposées. Lorsque les deux sont détectés, un système informatique peut reconstituer l’endroit où s’est produite l’annihilation. En fixant un émetteur de positrons sur une protéine ou une molécule de glucose et s’assurant que le corps la métabolise, il est possible d’étudier le fonctionnement d’un organe tel que le cerveau humain. L’image de diffusion par TEP montre où l’absorption de glucose s’est produite.
L’imagerie de diffusion par TEP peut encore aller plus loin lorsque l’image fonctionnelle peut être comparée à l’image anatomique. L’imagerie par résonance magnétique (IRM), désignée auparavant sous le terme d’Imagerie à résonance magnétique nucléaire, permet d’obtenir des images très précises de l’anatomie comme le montre la seconde image de la figure 13-2b. Ces techniques facilitent le travail des chercheurs pour différencier un tissu sain d’un tissu malade.
Datation radioactive
La datation radioactive est une technique qui consiste à comparer les rapports de teneur d’isotopes radioactifs à un isotope de référence pour déterminer l’âge d’un matériau. De nombreux isotopes ont été étudiés pour sonder ainsi des échelles de temps très étendues. L’isotope 14C, une forme radioactive du carbone, est produit dans la haute atmosphère par la collision de neutrons contre le noyau 14N. Le neutron est capturé par ce dernier puis expulse un proton. On obtient ainsi un nouvel élément, le 14C. Cet isotope est transporté de la même manière que le 14CO2 c’est-à dire qu’il est absorbé par les plantes et ingéré par les animaux. Si nous devions mesurer aujourd’hui le rapport de 14C avec le 12C, nous trouverions une valeur d’un 14C pour un billon d’atomes 12C.
Ce rapport est identique pour tous les organismes vivants (aussi bien pour les humains que pour les arbres ou les algues). Lorsqu’un être vivant meurt, il ne peut plus échanger de carbone avec l’environnement. Sachant que l’isotope 14C est radioactif et que les désintégrations beta ont une demi-vie de 5730 ans, il restera à peine la moitié de 14C et seulement un quart au bout de 11 460 ans. Ainsi, le 14C par rapport au 12C passera d’un billion au moment du décès à ½ billon 5730 années plus tard et à ¼ billon 11 460 années après (diminue de moitié tous les ans). Il est possible de déterminer le moment du décès d’organismes autrefois vivants grâce à des mesures très précises de la quantité de 14C restante, obtenues soit par l’étude de la désintégration beta soit par l’utilisation de la spectrométrie de masse par accélérateur (à l’aide d’un accélérateur de particules pour séparer 12C de 14C et calculer ainsi le nombre de chacune d’entre elles).
Peut-être avez-vous déjà entendu parler de l’homme des glaces, un homme vivant dans les Alpes qui à sa mort resta prisonnier des glaces jusqu’à ce que la fonte permette sa récente découverte. Le corps de l’homme était couvert d’un tissu, dont les fragments ont permis d’étudier à l’aide de la spectrométrie de masse par accélérateur quelle était la teneur en carbone 14. La période la plus précise qui ressort de cette technique de datation situe l’existence de l’homme entre 3350 et 3000 avant J-C. Le bateau d’un pharaon découvert dans une crypte scellée a été reconstitué dans un musée près des pyramides (voir photo 13-3). D’après la technique du carbone 14, son bois serait vieux de 4500 ans.
Il existe d’autres méthodes de datation pour les organismes non-vivants. Le 40K se désintègre en 40Ar en une demi-vie de 1,3 x 109 années et peut être emprisonné dans la roche. La méthode de datation au potassium argon, développée en 1966, mesure la quantité de 40Ar provenant de la désintégration du 40K et la compare à la quantité de 40K restant dans la roche. Ce rapport permet de calculer combien de temps s’est écoulé depuis sa formation.
L’âge de notre galaxie et de la terre peut également être calculé à partir de la datation radioactive. En se basant sur la désintégration de l’uranium et du thorium, l’âge de la galaxie se situerait entre 10 et 20 milliards d’années. Celui de la terre est estimé à 4,6 milliards d’années. L’univers doit être encore plus ancien que la galaxie. Prenant en compte une possible erreur expérimentale, on pense que son âge s’élèverait à 15 milliards d’années.
Chapitre 1 : présentation
La Nuclear Science Wall Chart a été rédigée dans le but d’expliquer au grand public les concepts fondamentaux de la structure nucléaire, de la radioactivité et des réactions nucléaires mais aussi pour mettre en évidence les thèmes de recherche et d’intérêt actuels dans le domaine. Ce document s’inscrit dans la même lignée que les deux brillantes présentations élaborées précédemment par le Contemporary Physics Education Projet (CPEP). La première se penche sur le modèle standard des particules élémentaires tandis que la seconde aborde le thème de la fusion et de la physique des plasmas. La terminologie nouvelle et les concepts de physique figurant dans la charte sont expliqués dans les chapitres suivants ainsi que dans le glossaire.
Les sciences nucléaires concernent l’étude de la structure, des propriétés et des interactions du noyau atomique, le cœur des atomes, où réside la majeure partie de la masse de la matière ordinaire. Comprendre le comportement de la matière nucléaire en conditions normales et en conditions éloignées de la normale constitue un défi de taille. Des conditions extrêmes qui existaient juste après la création de l’univers, se retrouvent aujourd’hui dans le cœur des étoiles et peuvent être recréées dans les laboratoires lors des collisions entre les noyaux. Les chercheurs en nucléaire procèdent à des expérimentations en mesurant les propriétés, les formes et les désintégrations des noyaux avant et lors des collisions. Différentes questions se posent : pourquoi les nucléons restent-ils dans le noyau ? Quelles combinaisons de protons et de neutrons sont possibles ? Que se passe-t-il quand les noyaux sont comprimés ? Quelle est l’origine des noyaux atomiques que l’on trouve sur terre ? Les chercheurs effectuent des recherches théoriques et expérimentales au moyen d’accélérateurs à haute énergie, de détecteurs innovants et d’équipements informatiques de pointe.
LA CHARTE EN QUELQUES MOTS
1. Le noyau atomique
Le noyau atomique est composé de nucléons, ensemble de protons et neutrons qui sont constitués à leur tour de quarks et dont la cohésion est assurée par la forte interaction générée par l’échange de gluon entre les quarks. Dans les noyaux à multiples nucléons, les interactions fortes effectives peuvent être décrites par l’échange de mésons (particules composées de pairs quarks-antiquarks). Un proton est constitué de deux quarks up et un quark down ainsi que d’éléments de courte durée de vie issus des interactions fortes du champ. La composition du neutron est semblable. Cependant, celui-ci présente deux quarks down et un quark up. Si les physiciens sont convaincus que les nucléons sont composés de quarks, aucun n’a encore été isolé de façon expérimentale. L’énergie apportée dans le noyau dans le but de séparer les quarks les renforce. Quand elle est suffisamment importante, un apport supplémentaire d’énergie engendre de nouvelles particules au lieu de libérer des quarks.
2. Carte des nucléides
Dans la Carte des nucléides le noyau atomique est accompagné de son numéro atomique Z et du nombre de neutron N. Chaque case représente un nucléide particulier et son code couleur est choisi en fonction de son premier mode de désintégration. Lesdits « numéros magiques » sont les suivants : 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126. Ils correspondent à la limite des principales couches nucléaires (plutôt comparable aux couches atomiques des électrons) et augmentent la stabilité nucléaire. Les isotopes possédant des protons et des neutrons de même numéro magique sont appelés « doublement magique » et sont d’une stabilité exceptionnelle.
3. Radioactivité
Les atomes sont radioactifs si les protons et les neutrons dans le noyau possèdent une configuration instable. Lorsqu’il y a peu de protons (Z), le nombre de neutrons (N) nécessaire pour maintenir l’équilibre équivaut plus ou moins au nombre des protons. Par exemple, il y a 6 protons et 6 neutrons dans le noyau atomique de la forme la plus commune du carbone. Pour un nombre élevé de protons dans le noyau, la force électrique répulsive entre ces derniers entraîne la stabilité du noyau, ce qui profite aux neutrons. Un noyau stable de plomb contient 126 neutrons et 82 protons. Un atome radioactif qui présente un déséquilibre entre le nombre de protons et le nombre de neutrons cherche une disposition plus stable par la désintégration radioactive. Celles-ci se produisent de façon aléatoire dans le temps, cependant on sait qu’une grande quantité de matière radioactive possède une durée de vie moyenne. Les produits de désintégration habituels sont désignés par les trois premières lettres de l’alphabet grec : alpha (), beta () et gamma (). Lors d’une désintégration alpha, le noyau d’hélium s’échappe. L’émission alpha réduit le nombre de protons et de neutrons par deux dans le noyau. La désintégration bêta peut résulter soit d’une émission d’un électron et d’un antineutrino soit d’une émission de leurs antiparticules, un positron et un neutrino. Elle inverse le nombre de protons et de neutrons dans le noyau et implique la capture d’un électron par un noyau. Au cours de la désintégration gamma une forte énergie de photon se dégage du noyau et lui permet d’atteindre une configuration plus stable et plus faible en énergie. La fission spontanée d’un noyau lourd en produits plus légers est également une forme de radioactivité.
4. Expansion de l’univers
La création de l’univers remonte à 15 milliards d’années lors de ce que l’on appelle le Big Bang. Environ une microseconde plus tard, l’univers comptait principalement des quarks et des gluons. Tandis qu’il était en continuelle expansion, la température, elle, ne cessait de chuter pour finalement être suffisamment basse et permettre aux quarks et aux gluons de se condenser dans les nucléons, qui par la suite donnèrent naissance à l’hydrogène et à l’hélium. On trouve encore des restes d’hydrogène et d’hélium primitifs dans l’espace interstellaire. Finalement, les inhomogénéités de densité ont permis aux interactions gravitationnelles de former d’importants nuages d’hydrogène. Les inhomogénéités locales de ces nuages sont à l’origine de la création et de l’accumulation des étoiles dans des galaxies. Depuis le Big Bang, l’univers n’a cessé de s’étendre et de se refroidir. Sa température actuelle est de seulement 2,7 Kelvin.
Une fois l’hydrogène et l’hélium, issus du Big Bang, condensés dans les étoiles, des réactions nucléaires en série se produisent dans le cœur des étoiles géantes générant davantage de noyaux lourds jusqu’à obtenir l’élément fer. À la mort d’une étoile, lors d’explosions de supernovae, des noyaux plus lourds se forment. Ces éléments se dispersent dans l’espace où ils se mélangent par la suite à des gaz interstellaires pour former de nouvelles étoiles et leurs planètes. La Terre et ses occupants, qu’ils soient vivants ou non vivants, sont issus de ces processus astrophysiques nucléaires.
5. Phases de la matière nucléaire
Nous savons que l’eau existe sous trois états ou phases : solide, liquide et gazeux, que l’on connait comme la glace, l’eau et la vapeur. C’est la température et la pression qui déterminent l’état des molécules d’eau. De la même manière, les protons et les neutrons se rencontrent également sous différentes formes selon la densité et la température nucléaire locale. Les noyaux atomiques normaux se trouveraient à l’état liquide.
On trouve de la matière nucléaire dans les étoiles à neutrons, à la création de l’univers ou dans le plasma quark-gluon. Les scientifiques étudient ces états en faisant entrer en collision des faisceaux de particules accélérées afin de reproduire des conditions extrêmes. Jusqu’à présent, aucune expérience n’a pas pu recréer le plasma quark-gluon.
6. Noyau atomique instable
Si la Carte des nucléides recense environ 2500 nucléides différents, des modèles actuels estiment que 4000 autres peuvent encore être découverts. La « drip line » ou ligne d’instabilité de protons et de neutrons détermine le stade où les noyaux avec un rapport protons/neutrons (N/Z) extrême présenteraient une instabilité telle que les forces nucléaires ne pourraient plus former. Des scientifiques s’efforcent de tester la limite de ce rapport et tentent de découvrir les éléments les plus lourds de la Carte des nucléides. L’élément 118 (dont le nom reste à déterminer) est l’élément non naturel le plus lourd jamais créé. Le produit issu de sa chaîne de désintégration alpha a permis d’identifier le noyau atomique parent uniquement à partir de quelques noyaux.
7. Energie nucléaire
Il y a fission lorsque le noyau atomique d’un atome se divise en deux noyaux plus petits. Elle se produit spontanément mais elle peut également être induite par la capture d’un neutron. Par exemple, l’état d’excitation de l’uranium (provoqué par la capture neutronique) peut engendrer deux noyaux « filles » plus petits. Les produits de fission émettent généralement des neutrons car le rapport N/Z est plus important avec Z plus élevé. Une configuration adéquate d’atomes d’uranium permet aux neutrons issus de la première fission d’être capturés et de provoquer ainsi davantage de fission de noyaux d’uranium. Ce processus de « réaction en chaîne » augmente exponentiellement le nombre de ces atomes. Chacun d’entre eux, libère une quantité considérable d’énergie. Ce phénomène est contrôlé au sein des réacteurs nucléaires, où les barres de commande capturent l’excès de neutrons, les empêchant d’être capturés par d’autres noyaux d’uranium et de provoquer une autre fission. Les réacteurs nucléaires sont conçus pour que la libération d’énergie soit lente et permette d’en faire une source de production exploitable contrairement à une bombe atomique où la réaction en chaîne est d’une rapidité explosive.
La fusion se produit lorsque deux noyaux s’assemblent pour former un noyau plus grand. La fusion de noyaux contenant peu de protons dégage une quantité d’énergie considérable : la source d’énergie du soleil. Quatre noyaux d’hydrogène (protons) s’assemblent lors d’un processus en plusieurs étapes pour donner lieu à un noyau d’hélium. Il existe des processus de fusion plus complexes encore qui impliquent des noyaux plus lourds. L’énergie nécessaire pour supporter une répulsion électrique mutuelle de deux noyaux est colossale. C’est pourquoi la fusion ne peut se produire que dans des conditions extrêmes comme celles que l’on trouve dans le cœur des étoiles et dans les accélérateurs de particules nucléaires. La fusion de noyaux possédant un numéro atomique plus élevé nécessite des conditions encore plus extrêmes telles que l’on trouve dans les novae ou les supernovae. Les étoiles sont en fin de compte à l’origine de tous les éléments de la classification périodique. La fusion étant un processus qui nécessite des conditions extrêmes, il est difficile de recréer une réaction nucléaire sur terre. On la retrouve dans les armes thermonucléaires, où elle est incontrôlée. On a déjà pu recréer la fusion contrôlée libérant de l’énergie, cependant aucune méthode commerciale viable n’a été mise au point pour générer de l’électricité.
8. Application
La recherche fondamentale en nucléaire a mis en évidence des bénéfices dont les retombées dépassent les attentes des recherches poursuivies initialement et souvent de manière tout à fait inattendue. La science nucléaire continue d’avoir un impact conséquent sur les autres domaines comme la science, la technologie, la médecine, la production énergétique et la sécurité nationale. Les techniques de diagnostique nucléaire ont trouvé de nombreuses applications comme la datation d’objets en archéologie, l’étude des matériaux et la surveillance des changements de l’environnement.
Chapitre 2 : le noyau atomique
La quête de la particule élémentaire du monde matériel a été le fil conducteur de la recherche scientifique à travers les époques. Beaucoup de grands philosophes antiques issus d’horizons très distincts se sont penchés sur les conséquences de la sous-division d’objets tangibles à structure régulière en éléments de plus en plus petits jusqu'à devenir invisibles. Nombreux d’entre eux étaient persuadés qu’ils obtiendraient ainsi une unité de matière indivisible fondamentale que le grec ancien désigne sous le terme (atome) et dont le sens est “non divisible”. Les atomes sont-ils effectivement ces éléments indivisibles tant cherchés du monde matériel?
L’atome
Dès le début du XXème siècle, des preuves irréfutables ont été apportées pour dire que la matière pouvait s’expliquer à partir des atomes. Autrement dit qu’elle est composée de quelques particules élémentaires que nous appelons atomes. Cette théorie a fourni une explication d’ensemble cohérente pour tous les processus chimiques connus à l’époque. Cependant, il reste certains points que la théorie atomiste ne peut expliquer. En 1896, A.H. Becquerel découvre le rayonnement pénétrant. En 1897, J.J. Thomson démontre que les électrons possèdent une charge électrique négative et proviennent de la matière ordinaire. Celle-ci ne peut être neutre d’un point de vue électrique qu’en présence de charges positives. La question qui se pose alors est : où se trouvent ces charges et quel élément en contient ?
En 1911, Ernest Rutherford et ses paires firent une avancée incroyable lors d’une expérience destinée à déterminer l’angle de dispersion d’un faisceau de particules alpha (noyau d’hélium) après avoir traversé une fine feuille d’or.
Fig.2-1. Les modèles de l’atome. Le point au centre de l’atome Rutherford représente le noyau. Sa taille a été agrandie afin de pouvoir être visible sur le dessin.
Quels résultats pourrait-on attendre d’une telle expérience ? Tout dépend de la structure de l’atome. Le modèle de Thomson ou « far aux pruneaux », modèle de l’atome qui faisait autorité à l’époque, soutient que les électrons chargés négativement (les pruneaux) baignent dans la charge positive (le far). Ce modèle explique la neutralité de la masse ainsi que la description des flux des charges électriques. D’après ce modèle, les particules alpha ne devraient que légèrement se disperser voire pas du tout pour la grande majorité.
Les résultats mis en évidence dans l’expérience de Rutherford sont incroyables. La plupart des particules alpha réagirent comme prévu et se sont à peine dispersée. Cependant, certaines ont été déviées à plus de 90 degrés, phénomène tout à fait improbable si l’on en croit le modèle du far aux pruneaux. Cette expérience fut incontestablement la preuve de l’existence d’un noyau dans le modèle de l’atome. Le seul modèle valable à la lumière de l’expérience de Rutherford est celui d’un petit noyau central abritant une charge positive ainsi que la plupart de la masse atomique tandis que la majorité du volume de l’atome contient des électrons discrets en orbite autour du noyau central.
La théorie électromagnétique classique affirme qu’une charge qui se déplace sur une trajectoire circulaire perd de l’énergie. Si dans le modèle de Rutherford, les électrons décrivent une orbite autour du noyau comme le font les planètes autour du soleil, il échoue, cependant, à expliquer pourquoi les forces de Coulomb n’a aucun effet sur l’affaiblissement énergétique des électrons et leur chute dans le noyau. Ce problème de stabilité a été résolu par Niels Bohr en 1913 grâce à la mise au point d’un nouveau modèle qui justifie ce phénomène par des orbites particulières et expliquerait pourquoi les électrons tomberaient de façon hélicoïdale dans le noyau. Ce modèle est non seulement à l’origine de la physique quantique, laquelle permet d’expliquer de nombreuses propriétés des atomes, mais il reste aujourd’hui une bonne façon de décrire les niveaux d’énergie des atomes d’hydrogène.
Le noyau atomique
De nos jours, on décrit le noyau atomique comme un système quantique composé de protons et de neutrons, particules de masse quasi égale et de même moment angulaire intrinsèque (spin) de ½. Le proton porte une unité de charge électrique positive tandis que le neutron est dépourvu de toute charge. Le terme nucléon est utilisé aussi bien pour désigner un proton qu’un neutron. L’hydrogène est le noyau le plus simple ; il est formé d’un seul proton tandis que le noyau le plus lourd jamais étudié se compose de prés de 300 nucléons. On détermine un noyau atomique par son numéro atomique Z (par exemple, le nombre de protons), le nombre de neutrons N et le nombre de masse A, (A = Z N).
Fig. 2-2. Le noyau atomique est désigné par son numéro atomique Z et son nombre de masse A, ainsi que par son symbole chimique. Le nombre de neutrons est obtenu par l’opération N = A – Z.
Que savons-nous d’autre à propos du noyau atomique ? En plus de son numéro et de son nombre de masse, il est également caractérisé par sa taille, sa forme, son énergie de liaison, son moment angulaire et sa demi-vie (s’il est instable). Une des meilleures façons de déterminer la taille d’un noyau atomique est de disperser les électrons de haute énergie. La répartition angulaire de ces électrons dépend de la répartition des protons. Celle-ci peut être caractérisée par le rayon moyen qui mesure 1-10 x 10-15 m. Ce rayon est bien plus petit que celui de l’atome, lequel atteint généralement 10-10 m. Par conséquent, le noyau atomique occupe un volume extrêmement petit au sein de l’atome. Certains sont de forme sphérique, d’autres possèdent des formes plus étendues ou aplaties.
L’énergie de liaison d’un noyau atomique correspond à l’énergie qui maintient ses éléments constitutifs ensemble. Cette énergie varie d’un noyau à l’autre et augmente en même temps que A. En raison des variations de l’énergie de liaison, certains noyaux sont instables et se désintègrent pour donner naissance à d’autres noyaux. Le rythme de désintégration est lié à la durée de vie moyenne des noyaux en désintégration. Le temps nécessaire à la moitié d’une population de noyaux instables pour se désintégrer est appelé demi-vie. Leur durée peut varier de quelques fractions de secondes à des milliards d’années.
Les isotopes de l’hydrogène
Il est souvent intéressant d’étudier les éléments les plus simples. C’est pourquoi, l’hydrogène a fait l’objet de recherches approfondies. Les isotopes de l’hydrogène présentent beaucoup d’effets que l’on retrouve sur les noyaux plus complexes. (Le terme isotope fait référence à un noyau doté d’un même nombre de protons mais possédant une masse atomique différente).
Il existe trois isotopes de l’élément hydrogène : hydrogène, deutérium et tritium. Comment faire pour les différencier ? Chacun d’entre eux possède un seul proton (Z = 1), mais ils se distinguent par le nombre de neutrons. L’hydrogène ne dispose d’aucun neutron, le deutérium en compte un et le tritium en possède deux. Les isotopes de l’hydrogène présentent respectivement un nombre de masse de 1, 2 et 3. Leur symbole nucléaire est donc 1H, 2H et 3H. Les atomes de ces isotopes ont un électron pour équilibrer la charge de leur proton. Étant donné que la chimie dépend des interactions des protons et des électrons, les propriétés chimiques des isotopes sont pratiquement les mêmes.
L’énergie peut être libérée tel un « paquet » de radiations électromagnétiques, le photon. Les photons créés lors d’un processus nucléaire sont dits rayons gamma (désignés par la lettre grecque gamma ). Par exemple, lorsqu’un proton et un neutron s’assemblent pour former du deutérium, la réaction peut être écrite sous la forme 1n 1H 2H . Cette équation requiert que l’énergie soit équilibrée. La masse peut être écrite en unités de masse atomique (u) ou en mégaélectronvolts divisés par le carré de la vitesse de la lumière (MeV)/c2 (issu de l’équation équivalence masse énergie d’Einstein E = mc2, u = 931,5 MeV/c2). La masse d’un noyau de deutérium (2.01355 u) est inférieure à la somme des masses du proton (1.00728 u) et du neutron (1.00866 u) qui est égale à 2,01594 u. Où est donc passé le reste de la masse (soit 0,00239 u) ? La force nucléaire attractive entre les nucléons crée une énergie potentielle nucléaire négative (l’énergie de liaison EB) qui a un impact sur la masse manquante, m (la différence entre deux masses). Le photon libéré en formant le deutérium dégage une énergie de 2,225 MeV, égale au 0,00239 u nécessaire pour séparer le proton et le neutron et pour les transformer à nouveau en particules libres. Les photons issus de la désintégration nucléaire libèrent, en général, une énergie plus grande que ceux qui sont créés lors de processus atomiques. Lorsque le deutérium se transforme en tritium par l’ajout d’un neutron, 1n 2H 3H , une plus grande quantité d’énergie est libérée (6,2504 MeV). L’énergie de liaison plus importante du tritium par rapport au deutérium montre bien que l’énergie potentielle nucléaire n’augmente pas simplement en ajoutant des nucléons (l’énergie de liaison totale est plus ou moins proportionnelle à A).
L’énergie de liaison par nucléon augmente à mesure que le nombre de protons et de neutrons se rajoute pour former un noyau atomique plus important. Il faut savoir que la limite est environ de 8 MeV par nucléon et qu’elle est atteinte quand le nombre de masse est environ égal à 60. Au-delà, l’énergie de liaison moyenne par nucléon diminue lentement. Comment un noyau
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