Física nuclear

La física nuclear es la ciencia que estudia no solo el núcleo atómico como tal (desarrollo de un modelo teórico), sino también cómo interactúa cuando una partícula se "acerca" (el orden de magnitud es 10-12 cm , se habla comúnmente en Física nuclear de sección transversal cuya unidad es el granero o 10 -24 cm 2 ) del núcleo (obteniendo resultados experimentales). Después de un breve recordatorio histórico, este artículo está dedicado a describir:

la estructura nuclear , cuyo objetivo es comprender cómo interactúan los nucleones ( protones y neutrones ) para formar el núcleo;
los mecanismos de las reacciones nucleares , cuyo objetivo es describir las diferentes formas en que interactúan los núcleos: fisión , fusión , difusión (elástica, inelástica), radiactividad , etc. ;
los campos de aplicación de la física nuclear , desde la medicina hasta la astrofísica , incluida la producción de energía , todos estos campos de actividad explotan la física de las interacciones radiación-materia ;
las organizaciones de investigación en física nuclear, en Francia y en el mundo.

Introducción

La materia está formada por moléculas , cristales o iones, que a su vez están formados por átomos . Estos átomos se forman a partir de un núcleo central rodeado por una nube electrónica. La física nuclear es la ciencia que se interesa por todos los fenómenos físicos relacionados con el núcleo atómico. Debido a su tamaño microscópico, las herramientas matemáticas utilizadas se enmarcan fundamentalmente en el marco del formalismo de la mecánica cuántica .

El núcleo atómico está formado por nucleones , que se dividen en protones y neutrones . Los protones son partículas que tienen una carga eléctrica elemental positiva, mientras que los neutrones son partículas neutras. Solo tienen un momento magnético y, por lo tanto, no son muy sensibles al campo electromagnético , a diferencia de los protones. Si asimiláramos el núcleo atómico a una esfera dura, el radio de esta esfera sería de unas pocas fermis, valiendo 1 fermi 10-15 metros (1 fermi = 1 femtómetro ). Los núcleos con el mismo valor Z, es decir, el mismo número de protones, y que no tienen el mismo número de neutrones, se denominan isótopos .

El núcleo de la historia

Hasta la vuelta del XX ° siglo, se creía que los átomos eran los constituyentes últimos de la materia. El descubrimiento de la radiactividad en 1896 por Henri Becquerel y los estudios que siguieron, en particular por los Curie , comenzaron a sugerir que los átomos mismos pueden ser objetos compuestos. ¿De qué otra manera la materia podría emitir partículas espontáneamente como en el caso de la radioactividad alfa?

Fue en 1911 cuando Rutherford descubrió que los átomos parecían ser objetos compuestos. Al analizar la difusión de partículas alfa emitidas por una fuente radiactiva a través de una hoja de oro, llegó a la conclusión de que "la más simple parece suponer que el átomo contiene una carga [eléctrica] central distribuida en un volumen muy pequeño". ( " Parece más simple suponer que el átomo contiene una carga central distribuida a través de un volumen muy pequeño ... " ). El modelo de Rutherford del átomo era, por tanto, un núcleo central con una carga eléctrica rodeada de electrones mantenidos en órbita por interacción electromagnética. Ya había sido propuesto en 1904 por Hantarō Nagaoka .

En 1919, Rutherford todavía descubrió la existencia en el núcleo del protón , una partícula que posee una carga elemental positiva e , pero que posee una masa mucho mayor que la del electrón (que tiene una carga eléctrica elemental negativa). En 1932, Chadwick destacó la existencia del neutrón, una partícula muy similar al protón, salvo que no tiene carga eléctrica (de ahí su nombre). Al mismo tiempo, Heisenberg propone que el núcleo atómico está formado por un conjunto de protones y neutrones.

Estructura nuclear

La fuerte interacción mantiene la cohesión de los nucleones dentro del núcleo. Es la más intensa de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (de ahí su nombre). Se caracteriza por ser fuertemente atractivo a corta distancia (cuando los nucleones se acercan mucho entre sí), repelente a distancia "media" y anulado a larga distancia. Dado que los protones son partículas cargadas, también interactúan a través de la interacción de Coulomb . Si el número de protones en el núcleo es grande, este último tiene prioridad sobre la interacción fuerte y los núcleos se vuelven inestables. La cantidad de energía que mantiene unido el núcleo se denomina energía de unión al núcleo .

Reacciones nucleares

Se dice que una reacción es nuclear cuando hay una modificación del estado cuántico del núcleo. Los nucleones que constituyen el núcleo participan entonces en la reacción, pero también otras partículas, como e - electrones , e + positrones, etc.

Las reacciones nucleares pueden ser de varios tipos. Los más importantes modifican la composición del núcleo y, por tanto, también son transmutaciones ; en la naturaleza, observamos:

la fisión : un núcleo pesado se rompe en varios fragmentos. Es este tipo de reacción la que se implementa en bombas atómicas de tipo A y en centrales nucleares ;
la fusión : varios núcleos ligeros se fusionan. Es el modo de producción de energía de la estrella. La fusión nuclear es la fuente de la nucleosíntesis que explica la génesis de todos los elementos de la tabla periódica de Mendeleïev y sus isótopos . Este es también el tipo de reacción que se utiliza en las llamadas bombas de hidrógeno ( bomba H ). El uso de la fusión para la producción de energía civil aún no se ha dominado. Su dominio es objeto del proyecto internacional ITER ;
la radiactividad : un núcleo transmite una o más partículas de forma espontánea. Nos distinguimos :
- la radiactividad $\alfa$ donde se emite un núcleo de helio 4,
- la radiactividad $\beta$ que se emite, ya sea un electrón y un antineutrino electrónico ( ) o un positrón y un neutrino electrónico ( ) $\ beta ^ {{-}}$ $\ beta ^ {{+}}$
- la radiactividad $\gama$ por la cual un núcleo pierde energía por radiación electromagnética de alta energía;

Con la llegada de los aceleradores de partículas y los núcleos pesados, se han estudiado nuevos tipos de reacciones:

reacciones de transferencia en las que uno (o unos pocos) nucleones se intercambian entre los núcleos del haz y los del objetivo
la espalación ( reacción de desactivación inglesa ) de partículas de luz ( neutrones , por ejemplo) se envía a un núcleo objetivo y expulsa uno o más núcleos de este núcleo;
colisiones entre núcleos pesados donde la cantidad de energía cinética disponible es muy grande y conduce a núcleos muy excitados (núcleos calientes, o incluso energías muy altas para la formación de plasma de quark-gluón )
la multifragmentación descompone un núcleo de más de dos núcleos;

Otras interacciones no cambian la composición del núcleo, pero le transfieren energía de excitación:

reacciones de difusión : el proyectil (un fotón, un nucleón o un conjunto de nucleones) ve su trayectoria modificada. Hablamos de difusión elástica cuando hay conservación de la energía cinética del sistema {proyectil-objetivo}. De lo contrario, hablamos de dispersión inelástica: se libera energía potencial adicional (que proviene del núcleo) en el momento de la interacción. Cuando la partícula incidente es un fotón, nombramos la dispersión de manera diferente, dependiendo del fenómeno físico involucrado:
- La dispersión de Thomson se refiere a un fotón que interactúa con un electrón libre. Hablamos de dispersión coherente porque la longitud del fotón disperso es la misma que la del incidente (ver el siguiente punto). La dispersión de Thomson es una dispersión elástica que generalmente tiene lugar entre unas pocas decenas de keV y 100 keV ,
- cuando el fotón tiene una energía incidente mayor (más allá de aproximadamente 100 keV ), la energía del fotón reemitido es menor que la del fotón incidente. Hablamos del efecto Compton (variación de la longitud de onda). La dispersión de Compton es también una dispersión elástica (la diferencia de energía entre la gamma incidente y la reemitida se transmite al electrón). La dispersión de Thomson es un caso especial de dispersión de Compton (cuando la energía del fotón incidente es mucho menor que 511 keV ). Por lo tanto, la dispersión de Thomson no es estrictamente hablando una dispersión coherente, pero la diferencia de longitud de onda entre la partícula emitida y el incidente es demasiado pequeña para ser medida.
- cuando el fotón incidente interactúa con un electrón emparejado (más precisamente con una molécula que tiene un momento dipolar como N2 u O2 que se encuentra en el aire - el baricentro de la nube de electrones de uno (de los 2) átomo no coincide con el núcleo ), hablamos de dispersión de Rayleigh. La dispersión de Rayleigh es perfectamente consistente. Predomina para fotones de pocos eV. Explica en particular el color azul del cielo;
el efecto fotoeléctrico: el fotón incidente "desaparece" transmitiendo su energía en forma de energía cinética a un electrón. Fenómeno predominante para fotones con energía inferior a unas pocas decenas de keV.

Aplicaciones de la física nuclear

Astrofísica

La nucleosíntesis dice fabricar en el universo los distintos núcleos que actualmente constituyen. Sin embargo, son necesarios dos procesos muy distintos para explicar la abundancia de diferentes elementos químicos en el universo:

en una primera fase, durante el Big Bang , los núcleos de 2 H ( deuterio ), 3 He , 4 He y 7 Li se forman a partir de hidrógeno . No se sintetiza ningún elemento más pesado, porque esta fase es relativamente corta. Sin embargo, para formar elementos más pesados que el litio, es necesario recurrir a una reacción de tres núcleos de helio, conocida como reacción triple alfa . Este tipo de reacción es extremadamente difícil de lograr y solo puede realizarse durante períodos mucho más largos que los pocos minutos de nucleosíntesis primordial;
el resto de la nucleosíntesis ocurre así en el corazón de las estrellas . Luego hablamos de nucleosíntesis estelar . Esto también se divide en dos procesos: nucleosíntesis lenta, que tiene lugar en las estrellas, que sintetiza elementos más ligeros que el hierro , luego nucleosíntesis explosiva, producida solo durante las explosiones estelares, llamadas supernovas . A esto se le llama nucleosíntesis explosiva.

Arqueología

Medicamento

La medicina nuclear basada en el uso de fuentes radiactivas y la interacción de estas fuentes con el tejido humano. Esta interacción se utiliza con fines de diagnóstico ( por ejemplo, radiología ) o de tratamiento ( radioterapia ). A partir de la década de 1980, se desarrollaron técnicas de resonancia magnética nuclear (IRM) , que utilizan las propiedades magnéticas de los núcleos.

Producción de energía

La producción de energía nuclear puede tener dos orígenes: la fisión de un núcleo pesado (familia de actínidos como el uranio) o la fusión de núcleos ligeros (como el deuterio , el tritio ).

La producción de energía puede ser:

breve e intenso: es el principio de una bomba nuclear ;
controlado (para producción civil pero también militar).

Producción de energía controlada

Actualmente, los fabricantes solo pueden utilizar la energía que proviene de la fisión de núcleos pesados. Luego, la energía se utiliza:

ya sea para producir electricidad, este es el caso de las centrales nucleares

ya sea para permitir que un vehículo se mueva, particularmente en el sector marítimo (portaaviones, submarinos de propulsión nuclear) y aeroespacial

El uso de la fusión para la producción de energía civil aún no se ha dominado. Su dominio es objeto del proyecto internacional ITER .

Aplicación militar (bomba nuclear)

Industria alimentaria: esterilización de alimentos

Consulte Irradiación de alimentos .

Análisis de activación

El principio es irradiar, bajo flujo de neutrones, un objeto para crear productos de activación que son radioisótopos formados a partir de los elementos presentes en la matriz a analizar. Cada radioisótopo emite líneas X / gamma características. Dependiendo de la intensidad de las líneas emitidas, es posible volver a la composición inicial, en proporciones claramente inferiores a las de un análisis químico: mientras que el ppm ( parte por millón ) es típicamente el límite inferior de una concentración resultante de un medición química, es posible alcanzar, con el análisis por activación, concentraciones de hasta 10 -12 .

Control no destructivo

Mismo principio que la radiología utilizada en medicina, pero las fuentes de radiación son más intensas y tienen un espectro "más duro" debido a los espesores y la naturaleza del material (acero, etc.) a atravesar.

Detección y localización de una explosión nuclear

Organizaciones de investigación en física nuclear

Notas y referencias

Revista filosófica , Serie 6 , vol. 21, mayo de 1911, pág. 669-688.

Bibliografía

Libros de divulgación

James M. Cork, Radiactividad y Física Nuclear , Dunod, 1949.
Bernard Fernandez, Del átomo al núcleo - Una aproximación histórica a la física atómica y la física nuclear , ed. Elipses, 2006 ( ISBN 2729827846 ) .

Libros de iniciación

Luc Valentin, El mundo subatómico [ detalle de las ediciones ]
Luc Valentin, Noyaux et Partículas - Modelos y simetrías , Hermann, 1997.
David Halliday, Introducción a la física nuclear , Dunod, 1957.

Libros de física fundamental

Irving Kaplan, Física nuclear , Serie Addison-Wesley en Ciencia e Ingeniería Nuclear, Addison-Wesley, 1956.

A. Bohr y B. Mottelson , Nuclear Structure , 2 vols. , Benjamin, 1969-1975. Volumen 1: Movimiento de una sola partícula ; volumen 2: Deformaciones nucleares . Reimpreso por World Scientific Publishing Company, 1998 ( ISBN 981-02-3197-0 ) .

P. Ring y P. Schuck, El problema nuclear de muchos cuerpos , Springer Verlag, 1980 ( ISBN 3-540-21206-X ) .

A. de Shalit y H. Feshbach, Física nuclear teórica , 2 vol. , John Wiley & Sons, 1974. Volumen 1: Estructura nuclear ; volumen 2: Reacciones nucleares ( ISBN 0-471-20385-8 ) .

C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Mecánica cuántica , 2 vol. , Hermann, colección "Educación científica" ( ISBN 2-7056-6074-7 y 2-7056-6121-2 ) .