noyau atomique

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Le noyau atomique n'est pas un sac de billes, mais une structure ordonnée où les protons et les neutrons remplissent des couches, comme les électrons dans l'atome. Lorsqu'une couche est pleine, le noyau devient particulièrement stable, et le nombre de particules est dit magique.

Le noyau atomique n'est pas toujours rond comme une boule de billard. Certains noyaux s'allongent en forme de ballon de rugby, d'autres deviennent semblables à une poire — avec une extrémité plus épaisse que l'autre.

Un électron en trop dans une molécule, c'est un peu comme un passager qui s'accroche de justesse à la porte d'un train en marche. Ce « passager » transforme la particule en anion — un ion négatif. L'étudier n'est pas simple : la liaison est faible, le nuage électronique est diffus, et le moindre choc peut arracher l'électron.

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

Au centre de chaque atome se trouve un noyau, une boule dense de protons et de neutrons. Ces particules ne s'entassent pas au hasard, mais occupent des niveaux d'énergie stricts, semblables aux étages d'un gratte-ciel. Lorsqu'un étage est complètement rempli, le noyau devient particulièrement stable – les physiciens appellent cela un nombre magique.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. Il a une forme, et cette forme peut changer. Le noyau d'étain-116 a longtemps été considéré comme une sphère presque parfaite : il possède 50 protons — un nombre « magique » qui confère généralement au noyau une symétrie sphérique.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

En physique nucléaire, on a longtemps cru que deux neutrons ne pouvaient pas former un état lié — ils s'attirent trop faiblement et se séparent aussitôt. Cependant, à la surface des noyaux riches en neutrons, où la densité de matière chute à des millièmes de la densité nucléaire normale, la situation change radicalement.

Le noyau atomique est rarement une sphère parfaite. Il ressemble plus souvent à un ballon légèrement déformé : la charge électrique y est répartie de manière inégale, et les protons peuvent se déplacer légèrement, créant un minuscule renflement « en forme de poire ».

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

Un balancier que presque rien ne peut déranger, qui ne craint ni les secousses, ni la chaleur, ni les champs magnétiques — parce qu'il est caché au cœur même de l'atome. C'est un tel balancier que des physiciens ont utilisé en mettant en marche pour la première fois une horloge nucléaire.

Une étoile à neutrons est une lentille gravitationnelle qui focalise nos tentatives d'apercevoir la matière noire. À travers sa matière ultra-dense, comme à travers un verre exotique, nous cherchons l'axion — une particule insaisissable capable d'expliquer la masse cachée de l'Univers.

Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être déréglée, comme un ressort de montre mécanique peut l'être par des secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique.

Le noyau atomique est un ressort naturel d'une force colossale. Lorsque les protons et les neutrons qui le composent se réorganisent, il passe dans un état particulier à longue durée de vie : l'isomère nucléaire. L'énergie y est emmagasinée comme un ressort comprimé à l'extrême.

À première vue, le noyau atomique est un appartement communautaire exigu où protons et neutrons (ensemble, on les appelle nucléons) vivent selon des règles strictes. Chacun occupe son orbite, comme les électrons dans l'atome, et en moyenne tout semble ordonné.

Une casserole de soupe bouillante frémit, et on aimerait savoir à quel point chaque goutte est chaude à l'intérieur. Mais on ne peut plonger le thermomètre que sur le bord, là où ça bouillonne déjà moins.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

Le noyau atomique ressemble à une gouttelette entourée d'une fine pellicule : la « peau » de neutrons d'étoile à neutrons. À l'intérieur de la goutte, protons et neutrons sont mélangés uniformément, mais à l'extérieur, comme la crème sur le lait, se forme une couche où les neutrons sont nettement plus nombreux.

La croûte externe d'une étoile à neutrons ressemble à un gâteau en couches, chaque couche ayant une garniture bien précise. C'est un réseau cristallin de noyaux atomiques baignant dans une mer d'électrons. Plus on descend, plus la pression est forte – et plus les noyaux qui peuvent y exister sans se désintégrer sont lourds.

Une lumière polarisée circulairement tombe sur un proton. La particule peut absorber le photon ou le repousser, selon l'orientation de son propre spin, cette petite toupie interne.

Si le noyau d'un atome est une famille, dans la maison de l'hélium ordinaire vivent deux protons et deux neutrons, solidement main dans la main. Imaginez maintenant qu'un des membres de la famille soit un excentrique qui aime se promener loin de la maison.

Un noyau atomique ordinaire ressemble à une pelote serrée : les protons et les neutrons y sont étroitement tassés. Mais pour certains noyaux légers, comme l'hélium-6, c'est tout autre chose. Deux neutrons semblent s'écarter et former autour du noyau un nuage ténu, appelé halo.

Le laser frappe un atome de strontium, et deux électrons s'en échappent d'un coup. On pensait auparavant que lors d'une telle double ionisation, chaque électron agissait de son côté : l'un est éjecté en premier, l'autre plus tard, au hasard.

Le noyau d'un atome n'est pas toujours rond. Il peut s'allonger comme un melon ou s'aplatir comme une citrouille. Et de cette forme dépend sa taille — comme de la forme de la pâte dépend la taille du gâteau. Les scientifiques ont calculé la forme et la taille des noyaux des isotopes de berkélium — un élément lourd produit dans les réacteurs.

Le noyau atomique suit généralement ses propres lois : sa désintégration ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni des voisins dans la molécule. Mais l'isotope uranium-235m fait exception. Ce noyau est dans un état excité, comme un ressort tendu, et il finit par libérer son excès d'énergie.

Au Grand collisionneur de hadrons, on ne fait pas seulement entrer en collision des protons, mais aussi des noyaux entiers d'atomes.

Bien avant cela, Fritz Zwicky avait prédit qu'après l'explosion d'une supernova naissait une minuscule étoile à neutrons. Des années plus tard, Jocelyn Bell Burnell en a capté les pulsations, découvrant les pulsars.

Une étoile à neutrons est un résidu ultra-dense d'une explosion de supernova, dont l'existence a été prédite par Fritz Zwicky dès les années 1930.

Le muon, c'est comme un électron, mais environ 200 fois plus lourd. Lorsqu'il s'arrête dans un morceau de silicium, il est attiré dans le noyau atomique comme un aimant attire un clou. Le noyau reçoit un surplus d'énergie et se met à « bouillonner » : il en sort diverses particules — protons, deutons, tritons et particules alpha.

Les neutrinos sont les particules connues les plus insaisissables. Chaque seconde, des milliards de milliards de neutrinos provenant du Soleil traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez : ils interagissent à peine avec la matière.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un trou noir — un objet prédit par les solutions des équations de Karl Schwarzschild. Autour de lui s'étend une couronne incandescente — une région de plasma raréfié, chauffé à des milliards de degrés.

Tels des coureurs sur une longue distance, les noyaux atomiques — du léger hélium au lourd fer — foncent vers nous à travers la Galaxie. À l'arrivée, dans le détecteur du ballon stratosphérique, on voit que les noyaux lourds arrivent un peu plus épuisés que les légers.

Très haut au-dessus de la Terre, un satellite évolue, et à son bord se trouve un instrument de la taille d'une petite armoire. Il capture des particules qui ont traversé la galaxie pendant des milliards d'années avant de venir percuter le détecteur.

Le ballon ATIC s'est élevé au-dessus de l'Antarctique et a capté des particules plus anciennes que la Terre elle-même. Parmi elles, des noyaux atomiques du soufre au chrome, et plus leur énergie est élevée, plus leur proportion par rapport au fer augmente.

Dans le flux de particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie, le fer s'est révélé être le mouton noir. L'instrument ATIC-2, hissé à bord d'un ballon au-dessus de l'Antarctique, a comparé comment la proportion de noyaux allant du soufre au chrome varie avec l'énergie par rapport au fer.

Très haut au-dessus de la calotte glaciaire de l'Antarctique, un ballon muni d'un détecteur est resté suspendu pendant vingt jours. Il captait de minuscules particules qui, depuis des millions d'années, voyagent jusqu'à nous après de lointaines explosions stellaires.