carbone 13

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 d'un atome est souvent représenté comme une boule dense où protons et neutrons sont mélangés. Mais chez certains isotopes, les neutrons peuvent s'étendre bien au-delà de cette boule, formant une coquille diluée — un halo de neutrons. Cela arrive surtout avec les noyaux qui ont beaucoup plus de neutrons que de protons.

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.

Le rayon de l'étoile chute de mille kilomètres. Non pas parce que sa masse a augmenté, mais parce que son propre champ magnétique a comprimé la croûte, tel un corset invisible.

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.

En 1905, Einstein a montré que le mouvement chaotique du pollen dans l'eau résulte des impacts de molécules invisibles. Un siècle plus tard, les physiciens ont appris non seulement à observer, mais aussi à contrôler le mouvement à l'échelle quantique.

Compter les personnes dans une pièce sombre en écoutant leur respiration se heurte au bruit ambiant : on n'entend pas les inspirations individuelles. Les scientifiques qui travaillent sur les spins quantiques dans les solides sont confrontés à un problème similaire.

On compare souvent les neutrinos à une émission radio captée par différents récepteurs. Une station émet un signal, mais les antennes au Japon, en Antarctique et au fond de la mer Méditerranée l'entendent différemment — à cause de la distance, des interférences et de l'orientation de l'antenne.

Deux étoiles à neutrons tournoient dans une dernière danse. Si leur rotation coïncide avec le mouvement orbital, les partenaires fusionnent proprement, éjectant un fin faisceau de matière incandescente. Si elles tournent en sens inverse, la danse se brise, dispersant un épais voile de débris.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

Les réseaux quantiques ont besoin d'un intermédiaire entre le stockage – le spin – et le transport – la lumière. Aucune molécule unique n'avait réussi à remplir ce rôle. Mais des physiciens viennent de trouver une solution. Ils ont placé une molécule de carbène dans un cristal et l'ont refroidie à -269°C.

Le spectre d'une substance, c'est sa carte d'identité. D'habitude, pour l'obtenir, on place l'échantillon dans un champ magnétique intense, comme dans un IRM. Mais il existe un moyen de s'en passer complètement : enregistrer le signal des noyaux atomiques à champ nul.

Un immeuble à plusieurs étages où vivent des protons et des neutrons à chaque niveau. Les étages représentent les niveaux d'énergie, et habituellement, entre le sixième étage et le suivant, il y a une cage d'escalier d'une certaine hauteur – ce qu'on appelle une lacune. Dans le noyau de l'atome d'oxygène-20, cette lacune joue le rôle d'une barrière difficile à franchir pour les particules.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible.

Dans les entrailles d'une étoile mourante, avant l'explosion de la supernova, des réactions nucléaires déterminent quels éléments chimiques seront dispersés dans l'espace.

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.

Le silicium est comme un bloc de construction universel : on en fait les puces de nos téléphones, les panneaux solaires et les lasers. Mais si on le comprime avec une force énorme, les atomes se réorganisent en de nouveaux motifs – on appelle ces formes des allotropes.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les électrons et les noyaux jouent d'instruments différents. D'habitude, le chef a besoin de deux baguettes : les micro-ondes pour les électrons et les ondes radio pour les noyaux.

Une cloche ne bourdonne pas d'une seule note : après le coup, plusieurs harmoniques résonnent. C'est à peu près ainsi que vibre un noyau atomique : après une collision, il peut osciller, et ces oscillations sont visibles dans les rayons gamma émis.

Une boussole magnétique dans une éprouvette — cela semble être un tour de passe-passe, mais c'est de la physique pure. Dans une solution de fumarate (un sel d'acide malique), les noyaux de carbone-13 se comportent comme de minuscules toupies.

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.

Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent, donnant naissance à de l'hélium et à des flux de neutrons. Sur Terre, ce processus est reproduit en combinant du deutérium et du tritium, des isotopes particuliers de l'hydrogène.

Dans le laboratoire de l'Université Purdue, un faisceau laser frappe un cristal de nitrure de bore hexagonal, et en réponse, un point de lumière unique scintille. Ce n'est pas une simple lueur : c'est un signal provenant d'un défaut de spin, une paire de spins électroniques dont l'un est couplé à un spin nucléaire de carbone-13.

À l'intérieur d'un diamant, on trouve parfois de minuscules imperfections : un atome de carbone remplacé par de l'azote, avec une lacune juste à côté. Les physiciens appellent cela un centre NV (défaut azote-lacune). Un tel défaut se comporte comme une aiguille magnétique qui peut stocker de l'information dans sa rotation.

Un diapason sonne quand on le frappe. Ses branches oscillent et le son se fait entendre jusqu'à ce que la vibration s'éteigne.

Dans l'épaisseur du diamant se cachent de minuscules défauts : des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, avec à côté un vide béant. Ces défauts, tels des phares, peuvent stocker et transmettre de l'information quantique.