Physique nucléaire, découvrez ce que c'est et ce qu'elle étudie cette branche de la physique moderne

La physique nucléaire est la branche de la physique qui étudie les processus qui se déroulent dans les noyaux atomiques . Il étudie les propriétés, les interactions entre elles et les applications qu'il peut avoir dans différents domaines scientifiques comme la technologie ou la biologie.

La physique nucléaire est utilisée dans les centrales nucléaires du monde entier pour produire de l’énergie et approvisionner les grandes villes en électricité. Des phénomènes issus de la physique nucléaire comme la radioactivité peuvent également être utilisés en biologie pour suivre les molécules à l’intérieur de l’organisme et mieux comprendre le fonctionnement de notre métabolisme.

La physique nucléaire moderne explore de nombreux domaines et aspects du noyau atomique et de ses interactions. Certains des domaines et sujets clés comprennent :

Les premières recherches sur les propriétés des noyaux ont été réalisées par Henri Becquerel, Marie Curie et Pierre Curie. avec l'étude de la radioactivité présente dans la nature.

Quelques années plus tard, Niels Bohr proposa le modèle atomique décrivant comment les atomes étaient constitués d'un noyau composé de neutrons et de protons et de plusieurs couches externes de particules chargées négativement appelées électrons.

Dans les années 30 du siècle dernier Irène Juliot-Curie et Jean Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle bombarder le bore et l’aluminium avec des particules alpha pour générer des atomes d’azote et de phosphore instables.

La physique nucléaire a finalement été définie avec la découverte de la fission nucléaire par les scientifiques allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann, utilisée dans les centrales nucléaires pour la production d'électricité et dans les armes nucléaires pendant les guerres.

La radioactivité est la perte d'énergie d'un noyau atomique instable. Cette énergie peut être une particule ou un rayonnement électromagnétique. Nous pouvons diviser les types de rayonnement en rayonnement alpha, rayonnement bêta et rayonnement gamma.

Les particules alpha sont noyaux d'hélium qui sont constitués de deux protons et de deux neutrons. La capacité de pénétration de ce type de rayonnement est faible.

Il existe deux types de particules dans le rayonnement bêta. Les particules libérées peuvent être à la fois des électrons et des positrons. L'émission d'électrons provient de la désintégration du neutron d’un noyau atomique instable en un proton, un électron et un antineutrino.

L’autre type est la désintégration du positon où un proton se transforme en neutron, positron et neutrino.

Les particules bêta sont plus pénétrantes que les particules alpha, mais pas aussi pénétrantes que le rayonnement gamma.

Le rayonnement gamma, contrairement aux deux précédents, n'émet pas de particules fermioniques mais plutôt un rayonnement électromagnétique (photons).

C'est le plus pénétrant des 3 et il est capable d'atteindre le noyau des cellules, affectant leur matériel génétique et leurs protéines.

Les particules gamma sont capables d'ioniser la matière en interagissant avec elle via des processus tels que l'effet photoélectrique ou l'effet Compton.

La fission nucléaire est la partie de la physique nucléaire qui étudie la division d'un noyau atomique en sous-produits.

De cette fission, un rayonnement alpha ou gamma est libéré en plus d'une énorme quantité d'énergie.

Ce processus nucléaire peut être induit par plusieurs méthodes. Une particule, généralement un proton, entre en collision avec l'énergie appropriée, de sorte qu'un autre noyau atomique devient instable.

Ce nouveau noyau instable se fragmente et libère d’autres neutrons qui vont à leur tour déstabiliser davantage de noyaux atomiques.

Il s'agit d'un processus en chaîne qui constitue la base de l'obtention de l'énergie dans les centrales nucléaires et de la grande énergie libérée par les bombes atomiques.

La fusion nucléaire est le processus par lequel plusieurs noyaux atomiques s'unissent pour former un nouveau noyau atomique.

Cette fusion libère de grandes quantités d'énergie. Pour en arriver là, il faut beaucoup d’énergie pour vaincre la répulsion électromagnétique entre les protons et pouvoir les rapprocher à une distance suffisante pour que la forte interaction nucléaire commence à agir.

La fusion nucléaire a lieu à l’intérieur d’étoiles comme le soleil, où l’hydrogène fusionne pour générer de l’hélium. Cela se produit grâce aux températures élevées atteintes à l’intérieur des étoiles.

Ces types de réactions sont appelés réactions thermonucléaires.

Tous les phénomènes qui se produisent en physique nucléaire sont dus aux deux forces qui agissent au sein du noyau de l’atome : l’interaction nucléaire faible et l’interaction nucléaire forte.

La force nucléaire faible est responsable de phénomènes tels que la désintégration radioactive. Dans la théorie quantique des champs, cette force qui provoque la désintégration nucléaire est une conséquence de l’échange des bosons W et Z.

La force nucléaire forte ou l’interaction forte est ce qui maintient les neutrons et les protons étroitement liés dans le noyau de l’atome.

Il doit être suffisamment puissant pour vaincre la répulsion générée par les charges des protons.

Selon la théorie quantique des champs, cette interaction a lieu grâce à l’échange de bosons appelés gluons.

Le Lagrangien qui décrit le champ de gluons est un champ de jauge avec une symétrie interne SU(3). Comme le dit le principe de Noether, les symétries sont associées à une grandeur conservée et dans ce cas, cette grandeur est appelée charge de couleur.

Chaque quark possède une charge de couleur différente (rouge, bleue ou verte). Lorsqu'ils s'associent pour former un proton ou un neutron, la couleur résultant de l'union doit toujours être blanche (magnitude conservée et invariante).