[PDF] Noyaux et Modèles l'énergie de surface ou

Lapon'.

hennédes mots. tern ~r H. Gaulle. M.(»roilS.Périre1.1 F. Bergerquiout !amours rcepandn ér

2001.Je/cursrndurilcfitons de rcassir el de realise( ere panic de /curs Fives.

1r./e kremercieponcese,

inter prétafions de la physique dons /csqucllesrie-science, homilies l termme& hcaautc2semélangent.

Sommaire

1. Panorama de la physiquenucléaire7

2. Lenoyau, unensemble defermionsen interaction27

3.Modèlesetdéformations63

4.Noyauxet rotation89

5. Isospin etExotisme111

6. La fission, du pointselleau point de scission137

7. InterfacesKron cc, ir)158

CoursdePh

Vucléairc200/-2003

DE:-I C'hanps.Particules.:Maliércs

Lnsei nants

Jean-Luc Sida

01 6926 47 16lemluc.sidaiv'a.ir

LaurentTussau-(ort

01 69 15 72 55tassango@ipno.in2p3.tr

particulier, nous allons chercher à être le plus proche possible des recherches et découvertes

la réflexion sansqu'ily ait nécessairement de calculs à faire. Elles sont là pour générer des

et analytique. Cette description n'existe pas. Nous n'avons pas de théorie générale qui sous-

conciliables les unes avec les autres. Il est un univers qui reste à découvrir et dont nous allons

Avant la pauseAprès la pause

Cours IPanorama (jls)Masses (LT)

Cours 2Rayons (LT)Radioactivités (LT)

Cours 7Rotation 1Cils)Rotation 2 (ils)

Cours 8Vibration(LT)Lsospin et ExotismeCils)

Cours 9La fissionCils)Gicle ducombustible(LT)

Cours IO(LT)InterfacesCils)

Bibliographie sommaire

EnFrançais:

Coursdesécoles Joliot-Curie

Yorick Blumenfeld (IPNOrsay)

Enanglais:

Toutelasériedes Advances in Nuclear Physics

Panorama del'univers nucléaire

A.Sous l'atome, une goutte de liquide

B.Limitations du modèle de goutte

B.I.Anomalie des rainas

B. Détail des masses(les noyaux

B.3. La fission

B.4 Dépassé ruaisala pointe

C Sousl'atome, un autremondequantique

D.I. Disparitiondesnombres magiques

1)_3.Des',acure arecdesmorceaux dedans. lesclusters

D_4.Collectivité dans lenovau

DS. Sous lenoyau,

D_6Dépassé maisala pointe

Panorama del'univers nucléaire

Les multiples facettes et descriptions du noyau sont souvent déroutantes. Elles sont un constat d'échec

pour les physiciens nucléaires qui souhaiteraient une compréhension dans un cadre unique. Force est

de constater que nous n'en sommes pas làetque la science du noyau en est encore aux balbutiements.

phénomènes incompris est la base de la curiosité de l'homme. cherchera comprendre dans le cadre

Pour celte introduction.j'aipris le parti de descendre dans les échelles en allantdel'atome aux quarks.

Il s'agit du chemin historique des découvertes où l'augmentation de l'énergie des faisceaux de

particules a permis de sonder la matière à des dimensions de plus en plus petites. La constructiondela

général de la physique nucléaire. 'Foutes les notions introduites ici seront reprises et détaillées par la

A.Sousl'atonie, une goutte de liquide

Quand on regarde les échelles de taille, depuis celle de l'univers jusqu'à celle des particules

élémentaires. on est frappé par le gouffre qui existe entrelemonde atomique et le monde nucléaire. lie

noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome. Pour des électrons atomiques. le noyau n'est présent

qu'à travers le champ électromagnétiquequ'ilcrée. Cette découverte. faite par E. Rutherford en 1911

atomique en introduisant la notion de noyau, particule portant une charge positive de petite taille par

rapport à l'atome. On peut calculer la probabilité pour une particule alpha d'être diffusée à un angle

donné en prenant seulement en compte l'interaction électromagnétique ( dilfusionchieRutherford).

Exercice 1.1. Calculer la section efficace de diffusion Rutherford à un angle de 60' pour le systèmelle'Pb

avec des particules alpha d'énergie entre 10 et 50 MeV. [Valentin]. Comparer avec les mesures effectuées par

Parcell et al.. Phys Re'. 95 (1954) 1212 [voir Ana. p. 153]. Comment expliquer les différences ", Comment

A partir de la diffusion de particules alpha, on peut extraire les rayons nucléaires. Au premier ordre. le

rayon d'un noyau évolue régulièrement avec son nombre de constituants. figure ci-dessous. Chaque

FigureLI:Evolutionéluratand'un norme

Liteclenombredeconstituantset dorm le

Atone].

Il existe différents métiers de physicien suivant les disciplines. Nous sommes tous en train de marcher dans une

forêt sombre. L'un se ballade avec une carte et il sait où il doit aller pour vérifier la validité de sa carte, un autre

se promène en regardant les étoiles sans se rendre compte qu'il a les pieds dans la houe, le dernier est perdu dans

la forêt et touille au voisinage de ces pieds crottés. I.e physicien nucléaire s'apparente assez à la derniére espèce.

Elle est. A mon sens- l'espèce la plus susceptible de bouleverser la compréhension que l'on peut avoir de la forêt.

Figure1.2:Evolution desrayonsdos atom

L'augmentation régulière du façon avec la masse est une premièreindicationquel'interaction

nucléaire n'augmente pas avec le nombre de constituants. On sait d'autre partqu'elleest attractive et

d'une intensité supérieure à la répulsion électromagnétique qui s'exerce entre les protonsd'oùson

Exercice 1.3: Calculer la valeur minimale de l'interaction nucléaire pour qu'un noyaudeplomb soit lié. Iltaut

pour cela calculer la valeur moyenne de l'énergie é lectromaen étique en faisant I'hy poth èse quelenoyau est une

Le noyau est le siège de l'interaction forte Pourquoilenoyau ne s'écroule pas sur lui-mémo comme on pourrai

Les informations les plus précises sur les rayons et plus généralement sur la densité de charge des

différence des particules alpha, les électrons ne subissent qu'une seule interaction et ils sont ponctuels.

possédant Z protons et N neutrons a une masse (Lsmasse du proton - Nsmasse du neutron) à un détail

pris,[énergiede liaison du système. notée généralement B pourBinding.C'est la différence entre la

masse du noyau et celle de ses constituants. Si B est nul ou négatif. le noyau n'est pas liéetilne peut

physiciens nucléaires peuvent étudier des noyaux qui n'existent pas. Sur la figure 1.3, on représente

Exercice 1.4: Si on ne lient pas compte de l'énergie de liaison et en faisant l'hypothèse que proton et neutron

Lontlamêmemasse de1(eVcalculer ladensiténucléaire en Ag/ni'. Estimerlevolumenucléairedel'humanité.

Figure 1.3: bnergiae de liaisonpur

Farre I a:ore er 17lzrnnM.ILS

IiUiYOUR,HUClCOlrd'unHOP[nl caldc "N

A/el'~i IAle ['prés.Figuredouairedu

implications de cette observation. construisons des noyaux avec des nucléons et une forte constante

(F>)qui permettraitachaque nucléon d'interagir avec un nombre N fini de nucléons. Avec une force

Si oncalcule l'énergie totalede liaison. on aura £ pourA=2 où Eest l'énergiede liaisonapportéepar

Si onprend uneforce de typeFion aura:

A-2•-0

Pouruneforce de type F3,qui admet3liaisons pour

Si on calcule l'énergie lolale de liaison. on aura £ pour A - 2. 3Epour A - 3, 6Epour A=4, 12Cpour

A=8. etc- L'énergie de liaison par nucléon sera 8/2 pour A=2: £ pour A - 3. 1.5 £ pour A - 5. 1.5

E pour A = R,_.I.avaleur asymptotique de l'énergie de liaison par nucléon sera 1.5C.pour une Force

constante F3. On peut continuer avec des forces incluant de plus en plus de nucléons pour obtenir la

ligure ci-dessous estrade de Icustenl. Dans le cas dune Force où tous les nucléons peuvent interagir

Figure1.4Fm/ut/ondel'énrrgirde liaison

Les fin-ces

Iener,gie

5euleur usrmproGyue_

Er/raitdefCuslenf.

Retournons maintenant aux valeurs mesurées et cherchons à les comprendre dans le cadre simple de ce

•Valeur constante de l'énergie de liaison moyenne. Ceci est directement corrélé à une force