Énergie nucléaire de liaison - Nuclear binding energy

L'énergie de liaison nucléaire en physique expérimentale est l' énergie minimale requise pour désassembler le noyau d'un atome en ses protons et neutrons constitutifs, appelés collectivement nucléons . L'énergie de liaison pour les noyaux stables est toujours un nombre positif, car le noyau doit gagner de l'énergie pour que les nucléons s'écartent les uns des autres. Les nucléons sont attirés les uns vers les autres par la force nucléaire puissante . En physique nucléaire théorique, l'énergie de liaison nucléaire est considérée comme un nombre négatif. Dans ce contexte, il représente l'énergie du noyau par rapport à l'énergie des nucléons constitutifs lorsqu'ils sont infiniment éloignés les uns des autres. Les points de vue expérimental et théorique sont équivalents, avec un accent légèrement différent sur ce que signifie l'énergie de liaison.

La masse d'un noyau atomique est inférieure à la somme des masses individuelles des protons et neutrons constitutifs libres . La différence de masse peut être calculée par l' équation d'Einstein , E=mc 2 , où E est l'énergie de liaison nucléaire, c est la vitesse de la lumière et m est la différence de masse. Cette « masse manquante » est connue sous le nom de défaut de masse et représente l'énergie qui a été libérée lors de la formation du noyau.

Le terme « énergie de liaison nucléaire » peut également se référer au bilan énergétique dans les processus dans lesquels le noyau se divise en fragments composés de plus d'un nucléon. Si une nouvelle énergie de liaison est disponible lorsque des noyaux légers fusionnent ( fusion nucléaire ) ou lorsque des noyaux lourds se séparent ( fission nucléaire ), l'un ou l'autre processus peut entraîner la libération de cette énergie de liaison. Cette énergie peut être mise à disposition sous forme d'énergie nucléaire et peut être utilisée pour produire de l'électricité, comme dans l'énergie nucléaire , ou dans une arme nucléaire . Lorsqu'un gros noyau se divise en morceaux, l'excès d'énergie est émis sous forme de rayons gamma et l'énergie cinétique de diverses particules éjectées ( produits de fission nucléaire ).

Ces énergies et forces de liaison nucléaires sont de l'ordre d'un million de fois supérieures aux énergies de liaison aux électrons des atomes légers comme l'hydrogène.

introduction

Énergie nucléaire

Une absorption ou une libération d'énergie nucléaire se produit dans les réactions nucléaires ou la désintégration radioactive ; celles qui absorbent de l'énergie sont appelées réactions endothermiques et celles qui libèrent de l'énergie sont des réactions exothermiques . L'énergie est consommée ou libérée en raison des différences d'énergie de liaison nucléaire entre les produits entrants et sortants de la transmutation nucléaire.

Les classes les plus connues de transmutations nucléaires exothermiques sont la fission et la fusion . L'énergie nucléaire peut être libérée par fission atomique, lorsque des noyaux atomiques lourds (comme l'uranium et le plutonium) sont brisés en noyaux plus légers. L'énergie de la fission est utilisée pour produire de l'électricité dans des centaines d'endroits dans le monde. L'énergie nucléaire est également libérée lors de la fusion atomique, lorsque des noyaux légers comme l' hydrogène sont combinés pour former des noyaux plus lourds comme l'hélium. Le Soleil et d'autres étoiles utilisent la fusion nucléaire pour générer de l'énergie thermique qui est ensuite rayonnée depuis la surface, un type de nucléosynthèse stellaire. Dans tout processus nucléaire exothermique, la masse nucléaire pourrait finalement être convertie en énergie thermique, dégagée sous forme de chaleur.

Afin de quantifier l'énergie libérée ou absorbée dans toute transmutation nucléaire, il faut connaître les énergies de liaison nucléaire des composants nucléaires impliqués dans la transmutation.

La force nucléaire

Les électrons et les noyaux sont maintenus ensemble par attraction électrostatique (le négatif attire le positif). De plus, les électrons sont parfois partagés par des atomes voisins ou transférés à eux (par des processus de physique quantique ) ; ce lien entre les atomes est appelé liaison chimique et est responsable de la formation de tous les composés chimiques .

La force électrique ne maintient pas les noyaux ensemble, car tous les protons portent une charge positive et se repoussent. Si deux protons se touchaient, leur force de répulsion serait de près de 40 Newton. Parce que chacun des neutrons porte une charge totale nulle, un proton pourrait attirer électriquement un neutron si le proton pouvait induire le neutron à se polariser électriquement . Cependant, avoir le neutron entre deux protons (donc leur répulsion mutuelle diminue à 10 N) n'attirerait le neutron que pour un arrangement électrique quadripolaire (- + + -). Des multipôles plus élevés, nécessaires pour satisfaire plus de protons, provoquent une attraction plus faible et deviennent rapidement invraisemblables.

Après que le moment magnétique du proton et le moment magnétique du neutron aient été mesurés et vérifiés , il était évident que leurs forces magnétiques pouvaient être de 20 ou 30 Newtons, attrayantes si elles étaient correctement orientées. Une paire de protons se ferait 10^-13 joules de travail à mesure qu'ils s'approchent - c'est-à-dire qu'ils auraient besoin de libérer ½ MeV d'énergie pour rester ensemble. D'autre part, une fois qu'une paire de nucléons colle magnétiquement, leurs champs externes sont considérablement réduits, il est donc difficile pour de nombreux nucléons d'accumuler beaucoup d'énergie magnétique.

Par conséquent, une autre force, appelée force nucléaire (ou force résiduelle forte ) maintient ensemble les nucléons des noyaux. Cette force est un résidu de l' interaction forte , qui lie les quarks en nucléons à un niveau de distance encore plus petit.

Le fait que les noyaux ne s'agglutinent pas (fusionnent) dans des conditions normales suggère que la force nucléaire doit être plus faible que la répulsion électrique à de plus grandes distances, mais plus forte à courte distance. Par conséquent, il a des caractéristiques à courte portée. Une analogie avec la force nucléaire est la force entre deux petits aimants : les aimants sont très difficiles à séparer lorsqu'ils sont collés ensemble, mais une fois éloignés l'un de l'autre, la force entre eux tombe presque à zéro.

Contrairement à la gravité ou aux forces électriques, la force nucléaire n'est efficace qu'à de très courtes distances. A de plus grandes distances, la force électrostatique domine : les protons se repoussent parce qu'ils sont chargés positivement, et comme les charges se repoussent. Pour cette raison, les protons formant les noyaux d' hydrogène ordinaire - par exemple, dans un ballon rempli d'hydrogène - ne se combinent pas pour former de l' hélium (un processus qui nécessiterait également que certains protons se combinent avec des électrons et deviennent des neutrons ). Ils ne peuvent pas s'approcher suffisamment pour que la force nucléaire, qui les attire l'un vers l'autre, devienne importante. Ce n'est que dans des conditions de pression et de température extrêmes (par exemple, au cœur d'une étoile ) qu'un tel processus peut avoir lieu.

Physique des noyaux

Il y a environ 94 éléments naturels sur terre. Les atomes de chaque élément ont un noyau contenant un nombre spécifique de protons (toujours le même nombre pour un élément donné), et un certain nombre de neutrons , qui est souvent à peu près le même nombre. Deux atomes du même élément ayant un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes de l'élément. Différents isotopes peuvent avoir des propriétés différentes - par exemple, l'un peut être stable et un autre peut être instable, et subir progressivement une désintégration radioactive pour devenir un autre élément.

Le noyau d'hydrogène ne contient qu'un seul proton. Son isotope deutérium, ou hydrogène lourd , contient un proton et un neutron. L'hélium contient deux protons et deux neutrons, et du carbone, de l'azote et de l'oxygène - respectivement six, sept et huit de chaque particule. Cependant, un noyau d'hélium pèse moins que la somme des poids des deux noyaux lourds d'hydrogène qui se combinent pour le former. Il en est de même pour le carbone, l'azote et l'oxygène. Par exemple, le noyau de carbone est légèrement plus léger que trois noyaux d'hélium, qui peuvent se combiner pour former un noyau de carbone. Cette différence est connue sous le nom de défaut de masse.

Défaut de masse

Le défaut de masse (également appelé "déficit de masse") est la différence entre la masse d'un objet et la somme des masses de ses particules constitutives. Découvert par Albert Einstein en 1905, il peut être expliqué à l'aide de sa formule E  =  mc 2 , qui décrit l' équivalence de l'énergie et de la masse . La diminution de masse est égale à l'énergie dégagée lors de la réaction de création d'un atome divisée par c 2 . Par cette formule, l'ajout d'énergie augmente également la masse (à la fois le poids et l'inertie), tandis que la suppression d'énergie diminue la masse. Par exemple, un atome d'hélium contenant quatre nucléons a une masse d'environ 0,8 % inférieure à la masse totale de quatre atomes d'hydrogène (chacun contenant un nucléon). Le noyau d'hélium a quatre nucléons liés ensemble, et l' énergie de liaison qui les maintient ensemble est, en effet, les 0,8 % manquants de la masse.

Si une combinaison de particules contient de l'énergie supplémentaire, par exemple dans une molécule de l'explosif TNT, sa pesée révèle une masse supplémentaire par rapport à ses produits finaux après une explosion. (Les produits finis doivent cependant être pesés après avoir été arrêtés et refroidis, car la masse supplémentaire doit s'échapper du système sous forme de chaleur avant que sa perte puisse être remarquée, en théorie.) En revanche, si l'on doit injecter de l'énergie pour séparer un système de particules en ses composants, alors la masse initiale est inférieure à celle des composants après leur séparation. Dans ce dernier cas, l'énergie injectée est "stockée" sous forme d'énergie potentielle , ce qui se traduit par l'augmentation de la masse des composants qui la stockent. Ceci est un exemple du fait que l'énergie de tous types est considérée dans les systèmes comme une masse, puisque la masse et l'énergie sont équivalentes, et chacune est une "propriété" de l'autre.

Ce dernier scénario est le cas des noyaux comme l'hélium : pour les décomposer en protons et neutrons, il faut injecter de l'énergie. D'un autre côté, s'il existait un processus allant dans la direction opposée, par lequel les atomes d'hydrogène pourraient être combinés pour former de l'hélium, alors de l'énergie serait libérée. L'énergie peut être calculée en utilisant E  = mc 2 pour chaque noyau, où m est la différence entre la masse du noyau d'hélium et la masse de quatre protons (plus deux électrons, absorbés pour créer les neutrons d'hélium).

Pour les éléments plus légers, l'énergie qui peut être libérée en les assemblant à partir d'éléments plus légers diminue, et de l'énergie peut être libérée lorsqu'ils fusionnent. Ceci est vrai pour les noyaux plus légers que le fer / nickel . Pour les noyaux plus lourds, plus d'énergie est nécessaire pour les lier, et cette énergie peut être libérée en les brisant en fragments (appelée fission atomique ). L'énergie nucléaire est actuellement produite en brisant des noyaux d'uranium dans des réacteurs nucléaires et en capturant l'énergie libérée sous forme de chaleur, qui est convertie en électricité.

En règle générale, les éléments très légers peuvent fusionner relativement facilement, et les éléments très lourds peuvent se briser très facilement par fission ; les éléments du milieu sont plus stables et il est difficile de leur faire subir soit une fusion soit une fission dans un environnement tel qu'un laboratoire.

La raison pour laquelle la tendance s'inverse après le fer est la charge positive croissante des noyaux, qui a tendance à forcer les noyaux à se briser. Il est résisté par l' interaction nucléaire forte , qui maintient les nucléons ensemble. La force électrique peut être plus faible que la force nucléaire forte, mais la force forte a une portée beaucoup plus limitée : dans un noyau de fer, chaque proton repousse les 25 autres protons, tandis que la force nucléaire ne lie que les voisins proches. Ainsi, pour les noyaux plus gros, les forces électrostatiques ont tendance à dominer et le noyau aura tendance avec le temps à se briser.

À mesure que les noyaux grossissent encore, cet effet perturbateur devient de plus en plus important. Au moment où le polonium est atteint (84 protons), les noyaux ne peuvent plus accueillir leur grande charge positive, mais émettent leurs protons en excès assez rapidement dans le processus de radioactivité alpha - l'émission de noyaux d'hélium, contenant chacun deux protons et deux neutrons. (Les noyaux d'hélium sont une combinaison particulièrement stable.) En raison de ce processus, les noyaux avec plus de 94 protons ne se trouvent pas naturellement sur Terre (voir tableau périodique ). Les isotopes au-delà de l'uranium (numéro atomique 92) avec les demi-vies les plus longues sont le plutonium-244 (80 millions d'années) et le curium-247 (16 millions d'années).

Énergie solaire de liaison

Le processus de fusion nucléaire fonctionne comme suit : il y a cinq milliards d'années, le nouveau Soleil s'est formé lorsque la gravité a rassemblé un vaste nuage d' hydrogène et de poussière, à partir duquel la Terre et d'autres planètes ont également surgi. L'attraction gravitationnelle a libéré de l'énergie et a chauffé le Soleil primitif, un peu comme le proposait Helmholtz .

L'énergie thermique apparaît comme le mouvement des atomes et des molécules : plus la température d'un ensemble de particules est élevée, plus leur vitesse est grande et plus leurs collisions sont violentes. Lorsque la température au centre du Soleil nouvellement formé est devenue suffisamment élevée pour que les collisions entre les noyaux d'hydrogène surmontent leur répulsion électrique et les amènent dans la courte portée de la force nucléaire attractive , les noyaux ont commencé à se coller les uns aux autres. Lorsque cela a commencé à se produire, les protons se sont combinés en deutérium puis en hélium, certains protons se transformant ainsi en neutrons (plus des positons, des électrons positifs, qui se combinent avec des électrons et s'annihilent en photons gamma). Cette énergie nucléaire libérée maintient maintenant la température élevée du noyau du Soleil, et la chaleur maintient également la pression du gaz élevée, maintenant le Soleil à sa taille actuelle et empêchant la gravité de le comprimer davantage. Il existe maintenant un équilibre stable entre la gravité et la pression.

Différentes réactions nucléaires peuvent prédominer à différents stades de l'existence du Soleil, y compris la réaction proton-proton et le cycle carbone-azote, qui implique des noyaux plus lourds, mais dont le produit final est toujours la combinaison de protons pour former de l'hélium.

Une branche de la physique, l'étude de la fusion nucléaire contrôlée , a essayé depuis les années 1950 de tirer une puissance utile des réactions de fusion nucléaire qui combinent de petits noyaux en plus gros, généralement pour chauffer des chaudières, dont la vapeur pourrait faire tourner des turbines et produire de l'électricité. Malheureusement, aucun laboratoire terrestre ne peut égaler une caractéristique de la centrale solaire : la grande masse du Soleil, dont le poids maintient le plasma chaud comprimé et confine le four nucléaire au cœur du Soleil. Au lieu de cela, les physiciens utilisent des champs magnétiques puissants pour confiner le plasma, et comme combustible, ils utilisent des formes lourdes d'hydrogène, qui brûlent plus facilement. Les pièges magnétiques peuvent être plutôt instables, et tout plasma suffisamment chaud et dense pour subir une fusion nucléaire a tendance à s'en échapper après un court laps de temps. Même avec des astuces ingénieuses, le confinement ne dure dans la plupart des cas qu'une petite fraction de seconde. L'énergie de liaison de l'exciton a été prédite comme étant la clé pour des cellules solaires efficaces en raison d'études récentes.

Combiner des noyaux

Les petits noyaux qui sont plus gros que l'hydrogène peuvent se combiner en de plus gros et libérer de l'énergie, mais en combinant de tels noyaux, la quantité d'énergie libérée est beaucoup plus petite par rapport à la fusion d'hydrogène. La raison en est que, bien que le processus global libère de l'énergie en laissant l'attraction nucléaire faire son travail, de l'énergie doit d'abord être injectée pour forcer ensemble des protons chargés positivement, qui se repoussent également avec leur charge électrique.

Pour les éléments qui pèsent plus que le fer (un noyau à 26 protons), le processus de fusion ne libère plus d'énergie. Dans des noyaux encore plus lourds, l'énergie est consommée, non libérée, en combinant des noyaux de taille similaire. Avec des noyaux aussi gros, surmonter la répulsion électrique (qui affecte tous les protons du noyau) nécessite plus d'énergie que celle libérée par l'attraction nucléaire (qui est efficace principalement entre voisins proches). Inversement, l'énergie pourrait en fait être libérée en cassant des noyaux plus lourds que le fer.

Avec les noyaux d'éléments plus lourds que le plomb , la répulsion électrique est si forte que certains d'entre eux éjectent spontanément des fragments positifs, généralement des noyaux d'hélium qui forment des combinaisons très stables ( particules alpha ). Cette rupture spontanée est l'une des formes de radioactivité que présentent certains noyaux.

Les noyaux plus lourds que le plomb (à l'exception du bismuth , du thorium et de l' uranium ) se brisent spontanément trop rapidement pour apparaître dans la nature comme des éléments primordiaux , bien qu'ils puissent être produits artificiellement ou comme intermédiaires dans les chaînes de désintégration d'éléments plus lourds. En général, plus les noyaux sont lourds, plus ils se désintègrent spontanément rapidement.

Les noyaux de fer sont les noyaux les plus stables (en particulier le fer-56 ), et les meilleures sources d'énergie sont donc des noyaux dont les poids sont aussi éloignés que possible du fer. On peut combiner les plus légers – les noyaux d'hydrogène (protons) – pour former des noyaux d'hélium, et c'est ainsi que le Soleil génère son énergie. Alternativement, on peut décomposer les plus lourds, les noyaux d'uranium ou de plutonium, en fragments plus petits, et c'est ce que font les réacteurs nucléaires .

Énergie nucléaire de liaison

Un exemple qui illustre l'énergie de liaison nucléaire est le noyau de 12 C (carbone-12), qui contient 6 protons et 6 neutrons. Les protons sont tous chargés positivement et se repoussent, mais la force nucléaire surmonte la répulsion et les fait se coller les uns aux autres. La force nucléaire est une force à courte portée (elle est fortement attractive à une distance de 1,0 fm et devient extrêmement petite au-delà d'une distance de 2,5 fm), et pratiquement aucun effet de cette force n'est observé en dehors du noyau. La force nucléaire rapproche également les neutrons, ou les neutrons et les protons.

L'énergie du noyau est négative par rapport à l'énergie des particules séparées à une distance infinie (tout comme l'énergie gravitationnelle des planètes du système solaire), car l'énergie doit être utilisée pour diviser un noyau en ses protons et neutrons individuels. Les spectromètres de masse ont mesuré les masses des noyaux, qui sont toujours inférieures à la somme des masses des protons et des neutrons qui les forment, et la différence - par la formule E  =  m  c 2 - donne l'énergie de liaison du noyau.

La fusion nucléaire

L'énergie de liaison de l'hélium est la source d'énergie du Soleil et de la plupart des étoiles. Le soleil est composé de 74 pour cent d'hydrogène (mesuré en masse), un élément ayant un noyau constitué d'un seul proton. L'énergie est libérée dans le soleil lorsque 4 protons se combinent en un noyau d'hélium, un processus dans lequel deux d'entre eux sont également convertis en neutrons.

La conversion des protons en neutrons est le résultat d'une autre force nucléaire, connue sous le nom de force (nucléaire) faible . La force faible, comme la force forte, a une courte portée, mais est beaucoup plus faible que la force forte. La force faible essaie de faire du nombre de neutrons et de protons la configuration la plus énergétiquement stable. Pour les noyaux contenant moins de 40 particules, ces nombres sont généralement à peu près égaux. Les protons et les neutrons sont étroitement liés et sont collectivement appelés nucléons. Au fur et à mesure que le nombre de particules augmente vers un maximum d'environ 209, le nombre de neutrons pour maintenir la stabilité commence à dépasser le nombre de protons, jusqu'à ce que le rapport des neutrons aux protons soit d'environ trois à deux.

Les protons de l'hydrogène ne se combinent en hélium que s'ils ont une vitesse suffisante pour surmonter suffisamment la répulsion mutuelle pour se mettre à portée de la forte attraction nucléaire. Cela signifie que la fusion ne se produit qu'au sein d'un gaz très chaud. L'hydrogène suffisamment chaud pour se combiner à l'hélium nécessite une pression énorme pour le maintenir confiné, mais des conditions appropriées existent dans les régions centrales du Soleil, où une telle pression est fournie par l'énorme poids des couches au-dessus du noyau, pressées vers l'intérieur par la forte force du Soleil. la gravité. Le processus de combinaison de protons pour former de l'hélium est un exemple de fusion nucléaire.

Les océans de la Terre contiennent une grande quantité d'hydrogène qui pourrait théoriquement être utilisé pour la fusion, et l'hélium sous-produit de la fusion ne nuit pas à l'environnement. Certains considèrent donc la fusion nucléaire comme une bonne alternative pour répondre aux besoins énergétiques de l'humanité. Les expériences visant à produire de l'électricité à partir de la fusion n'ont jusqu'à présent que partiellement réussi. L'hydrogène suffisamment chaud doit être ionisé et confiné. Une technique consiste à utiliser des champs magnétiques très puissants, car les particules chargées (comme celles piégées dans la ceinture de rayonnement de la Terre) sont guidées par des lignes de champ magnétique. Les expériences de fusion reposent également sur l'hydrogène lourd , qui fusionne plus facilement, et les densités de gaz peuvent être modérées. Mais même avec ces techniques, beaucoup plus d'énergie nette est consommée par les expériences de fusion que ce qui est produit par le processus.

Le maximum d'énergie de liaison et les moyens de l'approcher par désintégration

Dans les principaux isotopes des noyaux légers, tels que le carbone, l'azote et l'oxygène, la combinaison la plus stable de neutrons et de protons est lorsque les nombres sont égaux (cela continue jusqu'à l'élément 20, le calcium). Cependant, dans les noyaux plus lourds, l'énergie perturbatrice des protons augmente, car ils sont confinés dans un petit volume et se repoussent. L'énergie de la force forte qui maintient le noyau ensemble augmente également, mais à un rythme plus lent, comme si à l'intérieur du noyau, seuls les nucléons proches les uns des autres sont étroitement liés, pas ceux qui sont plus éloignés les uns des autres.

L'énergie nette de liaison d'un noyau est celle de l'attraction nucléaire, moins l'énergie perturbatrice de la force électrique. Au fur et à mesure que les noyaux deviennent plus lourds que l'hélium, leur énergie de liaison nette par nucléon (déduite de la différence de masse entre le noyau et la somme des masses des nucléons composants) croît de plus en plus lentement, atteignant son pic au fer. Au fur et à mesure que des nucléons sont ajoutés, l'énergie de liaison nucléaire totale augmente toujours, mais l'énergie perturbatrice totale des forces électriques (les protons positifs repoussant les autres protons) augmente également, et après le fer, la deuxième augmentation l'emporte sur la première. Le fer 56 ( 56 Fe) est le noyau lié le plus efficacement, ce qui signifie qu'il a la masse moyenne par nucléon la plus faible. Cependant, le nickel-62 est le noyau le plus étroitement lié en termes d'énergie de liaison par nucléon. (L'énergie de liaison plus élevée du nickel-62 ne se traduit pas par une perte de masse moyenne plus importante que 56 Fe, car le 62 Ni a un rapport neutrons/protons légèrement plus élevé que le fer-56, et la présence des neutrons plus lourds augmente le nickel-62 masse moyenne par nucléon).

Pour réduire l'énergie perturbatrice, l'interaction faible permet au nombre de neutrons de dépasser celui des protons - par exemple, l'isotope principal du fer a 26 protons et 30 neutrons. Les isotopes existent également lorsque le nombre de neutrons diffère du nombre le plus stable pour ce nombre de nucléons. Si le rapport protons/neutrons est trop éloigné de la stabilité, les nucléons peuvent passer spontanément de proton à neutron, ou de neutron à proton.

Les deux méthodes pour cette conversion sont médiées par la force faible et impliquent des types de désintégration bêta . Dans la désintégration bêta la plus simple, les neutrons sont convertis en protons en émettant un électron négatif et un antineutrino. Ceci est toujours possible en dehors d'un noyau car les neutrons sont plus massifs que les protons d'un équivalent d'environ 2,5 électrons. Dans le processus inverse, qui ne se produit qu'à l'intérieur d'un noyau, et non pour des particules libres, un proton peut devenir un neutron en éjectant un positon et un neutrino électronique. Ceci est autorisé si suffisamment d'énergie est disponible entre les nucléides parents et filles pour ce faire (la différence d'énergie requise est égale à 1,022 MeV, qui est la masse de 2 électrons). Si la différence de masse entre le parent et la fille est inférieure à cela, un noyau riche en protons peut encore convertir des protons en neutrons par le processus de capture d'électrons , dans lequel un proton capture simplement un électron de l'orbite K de l'atome, émet un neutrino, et devient un neutron.

Parmi les noyaux les plus lourds, à commencer par les noyaux de tellure (élément 52) ​​contenant 104 nucléons ou plus, les forces électriques peuvent être si déstabilisantes que des morceaux entiers du noyau peuvent être éjectés, généralement sous forme de particules alpha , qui se composent de deux protons et de deux neutrons (alpha les particules sont des noyaux d'hélium rapides). ( Le béryllium-8 se désintègre également, très rapidement, en deux particules alpha.) Les particules alpha sont extrêmement stables. Ce type de désintégration devient de plus en plus probable à mesure que le poids atomique des éléments augmente au-delà de 104.

La courbe de l'énergie de liaison est un graphique qui trace l'énergie de liaison par nucléon en fonction de la masse atomique. Cette courbe a son pic principal au fer et au nickel, puis décroît à nouveau lentement, ainsi qu'un pic isolé étroit à l'hélium, qui, comme indiqué, est très stable. Les noyaux les plus lourds de la nature, l'uranium 238 U, sont instables, mais ayant une demi-vie de 4,5 milliards d'années, proche de l'âge de la Terre, ils sont encore relativement abondants ; ils (et d'autres noyaux plus lourds que l'hélium) se sont formés lors d'événements d'évolution stellaire tels que des explosions de supernova précédant la formation du système solaire. L'isotope le plus courant du thorium, le 232 Th, subit également une émission de particules alpha, et sa demi-vie (temps pendant lequel un demi-nombre d'atomes se désintègre) est encore plus longue, de plusieurs fois. Dans chacun d'entre eux, la désintégration radioactive produit des isotopes filles qui sont également instables, commençant une chaîne de désintégrations qui se termine par un isotope stable du plomb.

Calcul de l'énergie de liaison nucléaire

Le calcul peut être utilisé pour déterminer l'énergie de liaison nucléaire des noyaux. Le calcul consiste à déterminer le défaut de masse , à le convertir en énergie et à exprimer le résultat en énergie par mole d'atomes, ou en énergie par nucléon.

Conversion du défaut de masse en énergie

Le défaut de masse est défini comme la différence entre la masse d'un noyau et la somme des masses des nucléons qui le composent. Le défaut de masse est déterminé en calculant trois quantités. Ce sont : la masse réelle du noyau, la composition du noyau (nombre de protons et de neutrons), et les masses d'un proton et d'un neutron. Ceci est ensuite suivi par la conversion du défaut de masse en énergie. Cette quantité est l'énergie de liaison nucléaire, mais elle doit être exprimée en énergie par mole d'atomes ou en énergie par nucléon.

Fission et fusion

L'énergie nucléaire est libérée par la division (fission) ou la fusion (fusion) des noyaux d' atome (s). La conversion de la masse nucléaire - énergie en une forme d'énergie, qui peut éliminer une partie de la masse lorsque l'énergie est supprimée, est cohérente avec la formule d' équivalence masse-énergie :

Δ E  = Δ m  c 2 ,

dans lequel,

Δ E = libération d'énergie,

Δ m = défaut de masse ,

et c = la vitesse de la lumière dans le vide (une constante physique 299 792 458 m/s par définition).

L'énergie nucléaire a été découverte pour la première fois par le physicien français Henri Becquerel en 1896, lorsqu'il a découvert que les plaques photographiques stockées dans l'obscurité près de l' uranium étaient noircies comme des plaques à rayons X (les rayons X avaient été récemment découverts en 1895).

Le nickel-62 a l'énergie de liaison par nucléon la plus élevée de tous les isotopes . Si un atome d'énergie de liaison moyenne inférieure est transformé en deux atomes d'énergie de liaison moyenne supérieure, de l'énergie est dégagée. De plus, si deux atomes d'énergie de liaison moyenne inférieure fusionnent en un atome d'énergie de liaison moyenne supérieure, de l'énergie est dégagée. Le graphique montre que la fusion de l' hydrogène , la combinaison pour former des atomes plus lourds, libère de l'énergie, tout comme la fission de l'uranium, la fragmentation d'un noyau plus gros en parties plus petites. La stabilité varie selon les isotopes : l'isotope U-235 est beaucoup moins stable que l' U-238 plus courant .

L'énergie nucléaire est libérée par trois processus exoénergétiques (ou exothermiques ) :

  • Décroissance radioactive , où un neutron ou un proton dans le noyau radioactif se désintègre spontanément en émettant des particules, un rayonnement électromagnétique (rayons gamma), ou les deux. Notez que pour la décroissance radioactive, il n'est pas strictement nécessaire que l'énergie de liaison augmente. Ce qui est strictement nécessaire, c'est que la masse diminue. Si un neutron se transforme en proton et que l'énergie de désintégration est inférieure à 0,782 343 MeV, la différence entre les masses du neutron et du proton multipliée par la vitesse de la lumière au carré (comme le rubidium-87 se désintégrant en strontium-87 ), l'énergie de liaison moyenne par nucléon va en fait diminuer.
  • Fusion , deux noyaux atomiques fusionnent pour former un noyau plus lourd
  • Fission , rupture d'un noyau lourd en deux (ou plus rarement trois) noyaux plus légers

Énergie de liaison pour les atomes

L'énergie de liaison d'un atome (y compris ses électrons) n'est pas la même que l'énergie de liaison du noyau de l'atome. Les déficits de masse mesurés des isotopes sont toujours répertoriés comme des déficits de masse des atomes neutres de cet isotope, et principalement en MeV . En conséquence, les déficits de masse répertoriés ne sont pas une mesure de la stabilité ou de l'énergie de liaison des noyaux isolés, mais de l'ensemble des atomes. Cela a des raisons très pratiques, car il est très difficile d' ioniser totalement les éléments lourds, c'est-à-dire de les dépouiller de la totalité de leurs électrons .

Cette pratique est également utile pour d'autres raisons : retirer tous les électrons d'un noyau instable lourd (produisant ainsi un noyau nu) modifie la durée de vie du noyau, ou le noyau d'un atome neutre stable peut également devenir instable après le dénudage, indiquant que le noyau ne peut pas être traité indépendamment. Des exemples de ceci ont été montrés dans des expériences de désintégration à l' état lié réalisées à l' accélérateur d'ions lourds GSI . Ceci est également évident à partir de phénomènes comme la capture d'électrons . Théoriquement, en orbite modèles d'atomes lourds, les orbites des électrons partiellement à l' intérieur du noyau (il ne possède en orbite dans un sens strict, mais a une probabilité non nulle d'être situé à l' intérieur du noyau).

Une désintégration nucléaire se produit dans le noyau, ce qui signifie que les propriétés attribuées au noyau changent au cours de l'événement. Dans le domaine de la physique, le concept de "déficit de masse" en tant que mesure de "l'énergie de liaison" signifie "déficit de masse de l'atome neutre" (pas seulement du noyau) et est une mesure de la stabilité de l'atome entier.

Courbe d'énergie de liaison nucléaire

Courbe d'énergie de liaison - isotopes.svg communs

Dans le tableau périodique des éléments , on observe que la série d'éléments légers allant de l' hydrogène au sodium présente une énergie de liaison généralement croissante par nucléon à mesure que la masse atomique augmente. Cette augmentation est générée par l'augmentation des forces par nucléon dans le noyau, car chaque nucléon supplémentaire est attiré par d'autres nucléons voisins, et donc plus étroitement lié à l'ensemble. L'hélium-4 et l'oxygène-16 sont des exceptions particulièrement stables à la tendance (voir figure de droite). C'est parce qu'ils sont doublement magiques , ce qui signifie que leurs protons et leurs neutrons remplissent tous deux leurs enveloppes nucléaires respectives.

La région d'énergie de liaison croissante est suivie d'une région de stabilité relative (saturation) dans la séquence du magnésium au xénon . Dans cette région, le noyau est devenu suffisamment grand pour que les forces nucléaires ne s'étendent plus complètement et efficacement sur toute sa largeur. Les forces nucléaires attractives dans cette région, à mesure que la masse atomique augmente, sont presque équilibrées par des forces électromagnétiques répulsives entre les protons, à mesure que le numéro atomique augmente.

Enfin, dans les éléments plus lourds que le xénon, il y a une diminution de l'énergie de liaison par nucléon à mesure que le nombre atomique augmente. Dans cette région de taille nucléaire, les forces répulsives électromagnétiques commencent à vaincre la forte attraction de la force nucléaire.

Au sommet de l'énergie de liaison, le nickel-62 est le noyau le plus étroitement lié (par nucléon), suivi du fer-58 et du fer-56 . C'est la raison fondamentale approximative pour laquelle le fer et le nickel sont des métaux très communs dans les noyaux planétaires, car ils sont produits à profusion en tant que produits finaux dans les supernovae et dans les étapes finales de la combustion du silicium dans les étoiles. Cependant, ce n'est pas l'énergie de liaison par nucléon défini (comme défini ci-dessus), qui contrôle quels noyaux exacts sont fabriqués, car dans les étoiles, les neutrons sont libres de se convertir en protons pour libérer encore plus d'énergie, par nucléon générique, si le résultat est un noyau stable avec une plus grande fraction de protons. En fait, il a été avancé que la photodésintégration du 62 Ni pour former du 56 Fe pourrait être énergétiquement possible dans un cœur d'étoile extrêmement chaud, en raison de cette conversion de désintégration bêta des neutrons en protons. La conclusion est qu'aux conditions de pression et de température dans les noyaux des grandes étoiles, l'énergie est libérée en convertissant toute la matière en 56 noyaux de Fe (atomes ionisés). (Cependant, à des températures élevées, toute la matière ne sera pas dans l'état d'énergie le plus bas.) Ce maximum énergétique devrait également être valable pour les conditions ambiantes, disons T = 298 K et p = 1 atm, pour la matière condensée neutre composée de 56 atomes de Fe—cependant , dans ces conditions, les noyaux des atomes sont empêchés de fusionner dans l'état de la matière le plus stable et le plus faible en énergie.

On pense généralement que le fer-56 est plus courant que les isotopes du nickel dans l'univers pour des raisons mécaniques, car son ancêtre instable, le nickel-56, est abondamment fabriqué par l'accumulation par étapes de 14 noyaux d'hélium à l'intérieur des supernovas, où il n'a pas le temps de se désintégrer. à repasser avant d'être relâché dans le milieu interstellaire en quelques minutes, lors de l'explosion de la supernova. Cependant, le nickel-56 se désintègre ensuite en cobalt-56 en quelques semaines, puis ce radio-isotope se désintègre finalement en fer-56 avec une demi-vie d'environ 77,3 jours. La courbe de lumière alimentée par la désintégration radioactive d'un tel processus a été observée dans les supernovae de type II , telles que SN 1987A . Dans une étoile, il n'y a pas de bons moyens de créer du nickel-62 par des processus d'addition alpha, sinon il y aurait probablement plus de ce nucléide hautement stable dans l'univers.

Énergie de liaison et masses de nucléides

Le fait que l'énergie de liaison maximale se trouve dans les noyaux de taille moyenne est une conséquence du compromis entre les effets de deux forces opposées qui ont des caractéristiques de portée différentes. La force nucléaire attractive ( force nucléaire forte ), qui lie les protons et les neutrons de manière égale les uns aux autres, a une portée limitée en raison d'une diminution exponentielle rapide de cette force avec la distance. Cependant, la force électromagnétique répulsive, qui agit entre les protons pour séparer les noyaux, diminue beaucoup plus lentement avec la distance (comme l'inverse du carré de la distance). Pour les noyaux d'un diamètre supérieur à environ quatre nucléons, la force de répulsion supplémentaire des protons supplémentaires compense plus que toute énergie de liaison qui résulte entre d'autres nucléons ajoutés à la suite d'interactions de forces fortes supplémentaires. De tels noyaux deviennent de moins en moins étroitement liés à mesure que leur taille augmente, bien que la plupart d'entre eux soient encore stables. Enfin, les noyaux contenant plus de 209 nucléons (plus de 6 nucléons de diamètre environ) sont tous trop gros pour être stables et sont sujets à une désintégration spontanée en noyaux plus petits.

La fusion nucléaire produit de l'énergie en combinant les éléments les plus légers en éléments plus étroitement liés (tels que l'hydrogène en hélium ), et la fission nucléaire produit de l'énergie en divisant les éléments les plus lourds (tels que l' uranium et le plutonium ) en éléments plus étroitement liés (tels que le baryum et le krypton ). Les deux processus produisent de l'énergie, car les noyaux de taille moyenne sont les plus étroitement liés de tous.

Comme on l'a vu ci-dessus dans l'exemple du deutérium, les énergies de liaison nucléaire sont suffisamment importantes pour être facilement mesurées en tant que déficits de masse fractionnaires , selon l'équivalence de la masse et de l'énergie. L'énergie de liaison atomique est simplement la quantité d'énergie (et de masse) libérée lorsqu'une collection de nucléons libres est réunie pour former un noyau .

L'énergie de liaison nucléaire peut être calculée à partir de la différence de masse d'un noyau et de la somme des masses du nombre de neutrons et de protons libres qui composent le noyau. Une fois que cette différence de masse, appelée défaut de masse ou déficit de masse, est connue, la formule d' équivalence masse-énergie d' Einstein E  =  mc² peut être utilisée pour calculer l'énergie de liaison de n'importe quel noyau. Les premiers physiciens nucléaires se référaient au calcul de cette valeur en tant que calcul de "fraction de tassement".

Par exemple, l' unité de masse atomique (1 u) est définie comme 1/12 de la masse d'un atome de 12 C, mais la masse atomique d'un atome de 1 H (qui est un proton plus un électron) est de 1,007825 u , donc chaque nucléon en 12 C a perdu, en moyenne, environ 0,8% de sa masse sous forme d'énergie de liaison.

Formule semi-empirique pour l'énergie de liaison nucléaire

Pour un noyau avec des nucléons A , y compris des protons Z et des neutrons N , une formule semi-empirique pour l'énergie de liaison (BE) par nucléon est :

où les coefficients sont donnés par : ; ; ; ; .

Le premier terme est appelé contribution à la saturation et garantit que l'énergie de liaison par nucléon est la même pour tous les noyaux en première approximation. Le terme est un effet de tension superficielle et est proportionnel au nombre de nucléons situés à la surface nucléaire ; il est le plus grand pour les noyaux légers. Le terme est la répulsion électrostatique de Coulomb ; cela devient plus important à mesure qu'il augmente. Le terme de correction de symétrie tient compte du fait qu'en l'absence d'autres effets, l'arrangement le plus stable a un nombre égal de protons et de neutrons ; c'est parce que l'interaction np dans un noyau est plus forte que l'interaction nn ou pp. Le terme d'appariement est purement empirique ; il vaut + pour les noyaux pairs-pairs et - pour les noyaux impairs-impairs . Lorsque A est impair, le terme d'appariement est identiquement nul.

Une représentation graphique de la formule d'énergie de liaison semi-empirique. L'énergie de liaison par nucléon en MeV (nombres les plus élevés en jaune, dépassant 8,5 MeV par nucléon) est tracée pour divers nucléides en fonction de Z , le numéro atomique (axe des y), par rapport à N , le nombre de neutrons ( axe des x). Les nombres les plus élevés sont observés pour Z = 26 (fer).

Exemples de valeurs déduites de masses de nucléides d'atomes mesurées expérimentalement

Le tableau suivant répertorie certaines énergies de liaison et valeurs de défaut de masse. Notez également que nous utilisons 1  u  = (931,494028 ± 0,000023) MeV. Pour calculer l'énergie de liaison, nous utilisons la formule Z  ( m p  +  m e ) +  N  m n  −  m nucléideZ désigne le nombre de protons dans les nucléides et N leur nombre de neutrons. On prend m p  = (938,2720813 ± 0,0000058) MeV, m e  = (0,5109989461 ± 0,000000003) MeV et m n  = (939,5654133 ± 0000058) MeV. La lettre A désigne la somme de Z et N (nombre de nucléons dans le nucléide). Si nous supposons que le nucléon de référence a la masse d'un neutron (de sorte que toutes les énergies de liaison "totales" calculées sont maximales), nous pourrions définir l'énergie de liaison totale comme la différence entre la masse du noyau et la masse d'une collection de A neutrons libres. En d'autres termes, ce serait ( Z  +  Nm n  −  m nucléide . L'« énergie de liaison totale par nucléon » serait cette valeur divisée par A .

Les atomes de nucléides les plus fortement liés
nucléide Z N excès de masse masse totale masse totale / A énergie de liaison totale / A défaut de masse énergie de liaison énergie de liaison / A
56 Fe 26 30 −60,6054 MeV 55.934937 0.9988372 u 9.1538 MeV 0.528479 u 492.275 MeV 8,7906 MeV
58 Fe 26 32 −62,1534 MeV 57.932276 0.9988496 u 9.1432 MeV 0.547471 u 509.966 MeV 8,7925 MeV
60 Ni 28 32 −64,472 MeV 59.93079 u 0.9988464 9.1462 MeV 0.565612 u 526.864 MeV 8,7811 MeV
62 Ni 28 34 −66,7461 MeV 61.928345 0.9988443 u 9.1481 MeV 0.585383 u 545.281 MeV 8,7948 MeV

Le 56 Fe a la masse spécifique de nucléon la plus faible des quatre nucléides répertoriés dans ce tableau, mais cela ne signifie pas qu'il s'agit de l'atome lié le plus fort par hadron, à moins que le choix des hadrons de départ ne soit totalement libre. Le fer libère la plus grande énergie si 56 nucléons sont autorisés à construire un nucléide - en changeant l'un pour l'autre si nécessaire, l'énergie de liaison la plus élevée par hadron, les hadrons commençant par le même nombre de protons Z et de nucléons totaux A que dans le noyau lié , est 62 Ni. Ainsi, la vraie valeur absolue de l'énergie de liaison totale d'un noyau dépend de ce à partir duquel nous sommes autorisés à construire le noyau. Si tous les noyaux de nombre de masse A pouvaient être construits avec des neutrons A , alors 56 Fe libérerait le plus d'énergie par nucléon, car il a une plus grande fraction de protons que 62 Ni. Cependant, si les noyaux doivent être construits uniquement avec le même nombre de protons et de neutrons qu'ils contiennent, alors le nickel-62 est le noyau le plus étroitement lié, par nucléon.

Certains nucléides légers resp. atomes
nucléide Z N excès de masse masse totale masse totale / A énergie de liaison totale / A défaut de masse énergie de liaison énergie de liaison / A
m 0 1 8.0716 MeV 1.008665 u 1.008665 u 0,0000 MeV 0 toi 0 MeV 0 MeV
1 heure 1 0 7.2890 MeV 1.007825 u 1.007825 u 0,7826 MeV 0,00000000146 u 0,0000136 MeV 13,6 eV
2 heures 1 1 13,13572 MeV 2.014102 u 1.007051 u 1.50346 MeV 0,002388 u 2.22452 MeV 1.11226 MeV
3 heures 1 2 14,9498 MeV 3.016049 1.005350 u 3.08815 MeV 0,0091058 u 8,4820 MeV 2.8273 MeV
3 Il 2 1 14,9312 MeV 3.016029 1.005343 u 3,09433 MeV 0,0082857 u 7,7181 MeV 2.5727 MeV

Dans le tableau ci-dessus, on peut voir que la désintégration d'un neutron, ainsi que la transformation du tritium en hélium-3, libère de l'énergie ; par conséquent, il manifeste un nouvel état lié plus fort lorsqu'il est mesuré par rapport à la masse d'un nombre égal de neutrons (et également un état plus léger par nombre de hadrons totaux). De telles réactions ne sont pas entraînées par des changements dans les énergies de liaison telles que calculées à partir des nombres N et Z précédemment fixés de neutrons et de protons, mais plutôt par des diminutions de la masse totale du nucléide/par nucléon, avec la réaction. (Notez que l'énergie de liaison donnée ci-dessus pour l'hydrogène-1 est l'énergie de liaison atomique, et non l'énergie de liaison nucléaire qui serait nulle.)

Les références

Liens externes