1 Masse des noyaux et énergie de liaison 9 2 Energie de liaison 9 3 Mod`ele de la goutte liquide et formule de Bethe-Weizsäcker 12 3 1 Hypoth`eses de
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On constate que les noyaux stables peuvent être groupés autour Finalement on retiendra que l'énergie libérée lors d'une réaction nucléaire se calcule par la formule : (perte de masse) c nécessaire pour assurer la cohésion de ce noyau
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L'énergie de liaison par nucléon est constante dans les noyaux Exercice 2 1 : Vous pouvez retrouver ces formules si vous le souhaiter- mais cela n'est pas
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l'idée que les particules élémentaires des noyaux de tous les atomes étaient des valeurs de l'énergie de liaison calculées d'après la formule (7) sont d'une
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Remarque : la masse d'un noyau est, aux énergies de liaison près (que l'on L' interaction forte, assure la cohésion du noyau en faisant fortement s'attirer les sur une formule semi-empirique (il existe plusieurs versions de cette formule),
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Energie de liaison et de cohésion des noyaux Tableau I 1 : Formules des Concentrations [3] Toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau
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Formule empirique de la masse 149 énergie de liaison de 7,074 MeV par nucléon d'énergie relatives `a la stabilité du noyau et `a ses désintégrations
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3 1 Forces de cohésion nucléaires 3 2 M dèl physique nucléaire: phénomènes physiques faisant intervenir le noyau atomique énergie liaison: cohésion du noyau formule permettant d'exprimer les énergies de liaison en fonction de A
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Notes de cours de PHYS 801
Introduction a la Physique NucleaireDamir Buskulic (base sur un cours de Daniel Decamp), 14 avril 2013
2Table des matieres
1 Caracteristiques generales du noyau
71 Constituants du noyau : les nucleons
72 Nomenclature8
2 Masse des noyaux, energie de liaison et modele de la goutte liquide
91 Masse des noyaux et energie de liaison
92 Energie de liaison9
3 Modele de la goutte liquide et formule de Bethe-Weizsacker
123.1 Hypotheses de base du modele de la goutte liquide
123.2 Energie de liaison, formule de Bethe-Weizsacker
123.3 Determination des coecients
164 Applications17
4.1 Energie de separation d'un nucleon
174.2Qd'une reaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.3 Determination de l'isobare le plus stable
184.4 Stabilite des noyaux
193 Dimension des noyaux et densite nucleaire
211 Introduction21
2 Diusion de Rutherford22
2.1 Diusion d'une particule chargee par un noyau
223 4
2.2 Angle de de
exion de la particule 243 Section ecace26
3.1 Probabilite de diusion a un angle
263.2 Verications experimentales
273.3 Generalisation de la notion de section ecace
284 Distribution de charge dans le noyau
284.1 Densite des etats nals
304.2 Un peu de cinematique
304.3 Element de matrice
314.4 Section ecace dierentielle de diusion elastique
334.5 Proprietes du facteur de forme
344.6 Remarques sur la section ecace
354.7 Resultats experimentaux
364.8 Densite nucleaire
374 Radioactivite : generalites
391 Radioactivite39
1.1 Condition energetique
392 Radioactivite40
2.1 Radioactivite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.2 Radioactivite+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
2.3 Capture electronique
412.4 Conditions energetiques
422.5 Parabole de masse
433 Radioactivite
444 Loi de la radioactivite45
4.1 Loi fondamentale de la radioactivite
454.2 Activite
464.3 Periode et vie moyenne
474.4 Largeur de raie
474.5 Filiations radioactives
484.6 Radioactivite naturelle et familles radioactives
495 Applications de la radioactivite
505.1 Datation au
14C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 Datation de roches et de meteorites
516 Radioactivite articielle52
6.1 Notion de section ecace
536.2 Production de noyaux radioactifs
555
5 Radioactivite : approche theorique
591 Radioactivite59
1.1 Approximation semi-classique WKB
591.2 Autre methode de calcul
611.3 Theorie de Gamow de la radioactivite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
2 Theorie de Fermi de la radioactivite64
2.1 Element de matrice
652.2 Spectre d'une transition permise
662.3 Classication des transitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
2.4 Determination de la constante de FermiGF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
2.5 Double desintegration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
6 Modeles nucleaires73
1 Modeles a particules independantes
741.1 Modele de Fermi
751.2 Modele en couches
771.3 Applications du modele en couches
852 Modeles collectifs91
2.1 Generalites
912.2 Modele vibrationnel
912.3 Modele rotationnel
936 1
Caracteristiques generales du noyau
Noyau atomique = lieu, au sein de l'atome, ou se trouvent concentrees toute la charge positive et pratique-
ment toute la masse de l'atome.Lorsqu'on l'observe de facon ne, on constate que le noyau possede une structure etendue, dont les dimensions
n'excedent pas quelques 1014m. Vis a vis des dimensions de l'atome (1010m =1A) le noyau peut ^etre
considere comme pratiquement ponctuel. Unite de longueur en physique nucleaire = le fermi : 1 fm = 10 15m1 Constituants du noyau : les nucleons
Le noyau, comme l'atome est un objet composite. Ses constituants sont appeles lesnucleons. On a decouvert,
il y a une quarantaine d'annees, que les nucleons ont eux-m^emes une structure, qu'ils sont composites. Pour
etudier cette structure, il faut encore descendre par rapport au Fermi dans l'echelle des distances : c'est le
domaine de laPhysique des Particules, qui sera peut-^etre etudiee dans un autre cours. Pour les besoins de la
Physique Nucleaire, on peut considerer, en premiere approximation les nucleons comme des objets ponctuels.
Il existe deux especes de nucleons, les protons et les neutrons dont voici les caracteristiques :Masse (MeV/c
2)charge (C)Moment magnetique
proton938:2720130:0000231:602176487(40)1019(2:7928473562:3108)Nneutron939:5653460:0000230(1:91304275107)NouN=e~2mpdesigne le magneton de Bohr nucleaire
N= 3:1524512326(45)1014Mev.T1
(noter la dierence avec le magneton de Bohr en physique atomiqueB=e~2me= 5:7883817555(79)1011Mev.T1) proprietes des nucleonsL'existence du mom entm agnetiquedes proton et neutron vien tde ce que ceux-ci on tun mom entcin etique
intrinseque (spin) de valeur~=2. Une autre maniere de voir les choses est que le neutron, bien qu'ayant
une charge globale nulle, a une densite volumique de charge non nulle, ce qui peut entra^ner l'existence
d'un moment magnetique. Le proton est lui charge. 78Chapitre 1 { Caracteristiques generales du noyau
Du p ointde vue de la ph ysiquestatistique, le proton et le neutr onson tdes fermions. Un syst emededeux fermions identiques obeit au principe d'exclusion de Pauli : \deux fermions identiques ne peuvent
pas ^etre dans le m^eme etat quantique et la fonction d'onde d'un systeme de deux fermions identiques est
antisymetrique". Le neutron libr eest instable ;il se d esintegreen n!p+e+ e avec une periodeT1=2= 14;7 mn.Chaque noyau est constitue deZprotons etNneutrons
Zest lenombre de chargeounumero atomique
lenombre de masseAest donne parA=Z+N.2 Nomenclature
On designe souvent parNuclideouNucleideun systeme de nucleons, c'est a dire un noyau, et on le represente
par le symbole AZXN ouXest le symbole chimique,Zle numero atomique (nombre de protons),Ale nombre de masse (nombre total de nucleons) etNle nombre de neutrons; on omet souventNpuisqueN=AZ:AZX. Les nuclides ayant le m^emeZsont appelesisotopes. Ainsi par exemple le carb onenaturel con tient98,89% de126C, 1,11% de136Cet des traces de146Cradioactif
l'uranium naturel con tient99,275% d '23892U, 0,72% d'23592Uet 0,005% d'23492U
Les isotopes ont les m^emes proprietes chimiques puisque celles-ci sont reliees aux orbitales atomiques, c'est a
dire aux proprietes des electrons.Les nuclides ayant le m^eme nombre de masse sont appelesisobares, ils appartiennent a deselements dierents.
Par exemple
146Cet147Nou bien6428Ni,6429Cuet6430Zn.
Les nuclidess ayant m^emeNsont appelesisotones. Par exemple136Cet147N;146Cet157N;3919Ket4020Ca. On appelle frequemmentnoyaux pair-pairdes nuclides dontZetNsont pairs etnoyaux impair-impairdes nuclides dontZetNsont impairs. Enn, on appellenoyaux impairsceux dontAest impair, c'est a dire ceux dontZouNseulementest impair. 2 Masse des noyaux, energie de liaison et modele de la goutte liquide1 Masse des noyaux et energie de liaison
Les dispositifs tels que les spectrometres (ou spectrographes) magnetiques permettent de mesurer la masse
des atomes avec une excellente precision, de l'ordre d'une fraction de MeV pour les atomes stables (voir exemple
en g. 2.1 Application : la decouverte des isotopes par J.J. Thomson en 1911Au premier ordre, la masse d'un element est caracterisee par le nombre de masseAqui represente le nombre
de nucleons que contient le noyau. On sait mesurer avec une grande precision le rapport des masses atomiques
des elements. Si l'on se xe la masse de l'un d'entre eux, on en deduit celle des autres.On a convenu de prendre egale a 0,012 kg (12 g) la masse d'une mole de l'isotope a 12 nucleons du carbone
126C. Ceci denit le nombre d'atomes dans une mole, c'est a dire le nombre d'AvogadroNA. Connaissant ce
nombre, on en deduit la masse d'un atome de carbone : M126C=12N
Ag En physique de l'atome ou du noyau, pour avoir une masse atomique qui s'approche deAet une unitecommode, on exprime la masse en unite de masse atomique (u.m.a. ou a.m.u. en anglais) dont l'abreviation
ocielle est u. On denit cette unite par la relation : M atome126C= 12 u = 121 gNA= 12(1:6605389217:3108)1027kg
On peut aussi ecrire 1 u = 931:4940612:1105)MeV/c22 Energie de liaison
La masse reelle d'un atome depend du nombre de nucleons mais egalement de l'energie de liaison des dierents
constituants. Cette energie de liaison variant d'un atome a l'autre, la masse reelle d'un atomeMat(Z;A) diere
en general deA(en unites de masse atomique). On caracterise traditionnellement cette dierence parl'exces
de masseMat: 910Chapitre 2 { Masse des noyaux, energie de liaison et modele de la goutte liquide
Figure2.1: Exemple de spectrometre de masse, le spec- trometre de Bainbridge (1935). Une source produit des atomes ionises une fois, de chargee, de masseM, ayant une certaine distribution de vitesses. Ces atomes tra- versent une region ou ils sont soumis a un champ electrique~Eet un champ magnetique~Bcroises. Ces champs agissent comme un ltre de vitesse : seuls traversent la fente de sortie les atomes satisfaisanteE=evB. Les atomes de vitessev=E=Btraversent alors la region de champ magnetiqueB, decrivant un demi-cercle de rayonR, et tombent sur un detecteur (une plaque photographique a l'epoque de Bainbridge). La distance entre la fenteS2et l'image est 2R, ouRsatisfait la relationevB=Mv2=R. On en deduitM= eB2R=E. La masse de l'atome neutre est
obtenue en ajoutant la masse d'un electron a celle de l'ion (son energie de liaison est negligeable devant ces masses). Resolution des spectros modernes : M=M105Figure2.2: Plaque photographique deJ.J. Thomson. Les trajec-
toires des deux isotopes duNeon sont visibles en bas a
droite.2 { Energie de liaison11
Mat(Z;A)u=Mat(Z;A)uA(2.1)
ou en Mev/c 2:Simerepresente la masse de l'electron etBel'energie de liaison (en valeur absolue) de tous les electrons
dans l'atome, la masse atomique est liee a celle du noyau par M at(Z;A) =Mnoyau(Z;A) +ZmeBec2(2.3)
En termes d'ordre de grandeur, la quantiteBeest au plus de l'ordre de quelques keV par electron. Lorsqu'on
s'interesse aux masses nucleaires, cette quantite est faible devant l'energie de liaison nucleaire qui est typiquement
de 8 MeV/nucleon. La masse du noyau est reliee a celle de ses constituants (protons et neutrons) par la relation : M noyau(Z;A) =Zmp+ (AZ)mnBNc2(2.4)
oumpetmndesignent respectivement la masse du proton et celle du neutron;BNestl'energie de liaisondu noyau, en valeur absolue. On considere plus generalement l'energie de liaison moyenne par nucleonBN=A
(ouB=A).La gure
2.3repr esentela v ariationd eB=Aen fonction du nombre de masseAFigure2.3: Energie de liaison par nucleon representee en fonction du nombre de masseApour dierents noyaux stables.
On constate que, si l'on excepte les noyaux tres legers, l'energie de liaison ne varie que faiblement avec A. Ce
comportement remarquable est une consequencedu caractere a courte portee des forces d'interaction nucleaire.
Il en resulte qu'un nucleon n'interagit qu'avec ses proches voisins et pas avec tous les constituants du noyau.
On a donc une saturation des forces d'interaction et de l'energie de liaison.S'il n'en etait pas ainsi, en particulier si la stabilite nucleaire resultait d'une interaction a deux corps a longue
portee, l'energie de liaison serait proportionnelle au nombre de paires de nucleons. On aurait alorsB/A(A1)
et doncB=A/A1, ce qui n'est pas observe dans les donnees experimentales.12Chapitre 2 { Masse des noyaux, energie de liaison et modele de la goutte liquideUne observation plus precise des donnees experimentales montre que l'energie de liaison par nucleon est
systematiquement legerement plus grande pour les noyaux pair-pair que pour les noyaux impairs. Les noyaux
pair-pair sont donc toujours legerement plus stables que les noyaux impairs proches, comme nous le verrons
plus loin. Ceci se traduit par les proportions relatives de noyaux pair-pair, impair-impair et impairs observees
dans la nature. Sur 274 noyaux stables, les proportions sont les suivantes :60.2% de noyaux pair-pair,38.3% de noyaux impairs et1.5% de noyaux impair-impair. Il n'existe que
4 noyaux impair-impair stables :
21H,63Li,105B,147N.3 Modele de la goutte liquide et formule de Bethe-Weizsacker
La propriete de saturation evoquee plus haut se manifeste egalement dans un systeme physique inattendu :
la goutte liquide. Les forces de Van der Waals y sont l'analogue des forces d'interaction forte entre nucleons. Le
modele dit de la goutte liquide, elabore par Carl Friedrich von Weizsacker (1935) et Niels Bohr (1937) permet
de retrouver certaines proprietes des noyaux, comme l'energie de liaison, le rayon ou la stabilite vis a vis de la
radioactiviteet de la ssion spontanee.Ce modele ne permet toutefois pas d'expliquer certaines proprietes plus nes des noyaux (niveaux d'energie
des nucleons, transitions nucleaires,...), ce que font mieux des modeles ditsa particules independantes. Le
modele de la goutte liquide est unmodele collectif.3.1 Hypotheses de base du modele de la goutte liquide
le \liquide" n ucleaireest incompressible et \univ ersel": sa masse v olumiqueest v oisinede 2 1014t.m3
(pour comparaison, la masse volumique de l'eau est de 1 t.m 3).dans son etatstable non p erturbe,le no yauest sph erique.Le liquide etantincompressible son ra yonest
proportionnel a la racine cubique du nombreAde nucleons :R=r0A1=3avecr0= constante (2.5)
dans le no yau,la densit ev olumiquede c hargeest constan te;autremen tdit, la probabilit ed'existence des
protons est la m^eme en tout point du noyaula force de coh esionne d ependpas de la c harge(in teractionforte). Nous v erronsqu'elle est maximale
quand le nombre de protons et de neutrons sont les m^emes.3.2 Energie de liaison, formule de Bethe-Weizsacker
Le modele conduit a la formule semi-empirique de Bethe-Weizsacker pour l'energie de liaison :B(Z;A) =avAasurfA2=3acZ2A
1=3asym(NZ)2A
+(Z;N) (2.6) Nous allons discuter de l'origine physique de chacun des 5 termes :B(Z;A) =avAenergie de volume
asurfA2=3energie de surface acZ2A1=3energie coulombienne
asym(NZ)2A terme d'asymetrie +(Z;N) terme d'appariement3 { Modele de la goutte liquide et formule de Bethe-Weizsacker13
Energie de volume
C'est le terme principal qui resulte des forces d'interaction nucleaire (attractives). En raison de la saturation
de ces forces, l'energie de liaison qui en resulte est la m^eme pour tous les nucleons. Le coecientavcorrespond
donc a l'energie de liaison moyenne par nucleon.Energie de surface
Les nucleons a la surface de la \goutte" ne sont lies qu'aux nucleons internes, ils ont moins de voisins que ceux
situes au cur du noyau. Il en resulte une perte d'energie de liaison, representee par le terme d'energie de surface.
C'est un terme analogue au terme de tension supercielle dans une goutte liquide, il diminue l'energie de liaison
totale. Par ailleurs, il tend a donner une forme spherique a la goutte. Cette contribution est proportionnelle a
la surface de la sphere, donc aR2, donc aA2=3.Energie coulombienne
La repulsion electrostatique entre protons tend a diminuer l'energie de liaison. Le noyau etant spherique par
hypothese, la diminution sera egale a l'energie electrostatique d'une sphere uniformement chargee, de charge
totale la charge totale des protons. Calculons cette energie electrostatique, noteeEc. Soitla densite volumique de charge : =Ze4 3 R3Pour calculerEc, calculons le travaildWnecessaire pour creer la couche spherique de rayonret d'epaisseur
dr. Il faut ammener de l'inni (potentiel 0) jusqu'a une distancerdeO(le centre de la sphere) la charge
(4r2dr). Cette charge se trouve soumise a l'action de la charge43 r3, que l'on peut considerer commeponctuelle (voir le Th. de Gauss), situee au centreOde la sphere, et qui cree en tout point de la sphere de
rayonrle potentielV=140r
43r3
On a alors
dW=dqV =(4r2dr)140r 43r3
4302r4dr
l'energie totale se calcule en sommant toutes les coquilles jusqu'au rayonRdu noyau : jEcj=Z R04302r4dr
41502R5
14Chapitre 2 { Masse des noyaux, energie de liaison et modele de la goutte liquide
or2=Z2e2(16=9)2R6, donc jEcj=3200Z 2e2RPuisqu'on denit l'energie coulombienne dans la formule de Bethe-Weizsacker par E c=acZ2A 1=3 et de plus, par hypothese,R=r0A1=3(eq.2.5 ), on en deduit l'expression deac: a c=3200e 2r 0
Terme d'asymetrie
Les trois termes discutes ci-dessus sont d'origine classique. Il reste deux termes d'origine quantique. Ils sont
d^us au fait que, dans les noyaux, les nucleons occuppent des niveaux d'energie quanties. Ceci est traite plus
completement dans les modeles a particules independantes comme le \modele en couches", mais il y a des
consequences dont on ne peut pas s'abstraire dans le modele de la goutte liquide. Nous avons suppose que
l'energie de liaison des neutrons est identique a celle des protons, une fois que l'on a pris en compte le terme
d'interaction coulombienne. Ceci n'est vrai strictement que si le nombre de neutrons est egal a celui des protons.
Pour le montrer, imaginons deux puits de potentiel, chacun avec son ensemble de niveaux d'energie, iden-
tiques, l'un pour les protons et l'autre pour les neutrons. Ces niveaux se remplissent suivant le principe d'ex-
clusion de Pauli puisque les protons et les neutrons sont des fermions. SiZ=Nles deux puits sont remplis de
la m^eme maniere (g. 2.4 .a)).Figure2.4: Illustration du calcul du terme d'asymetrie dans l'energie de liaison.Nous desirons voir ce qui se passe si, en gardant le m^eme nombre de masseA, nous faisons varier le nombre de
neutrons par rapport au nombre de protons. Si par exemple, on passe du noyau (N;Z) au noyau (N+1;Z1),
c'est a direN=Z+ 2, un proton doit se transformer en neutron. C'est l'un des protons de la couche complete
la plus haute (appelons lan) des protons qui va passer a la couchen+1 des neutrons, celle ou il y a de la place.
La dierence d'energie entre les deux etats nucleaires est alors E(g.2.4 .b)).3 { Modele de la goutte liquide et formule de Bethe-Weizsacker15
Si, toujours avec le m^eme nombre de masseA, on passe a un noyau (N+ 2;Z2), c'est a direN=Z+ 4,deux protons doivent passer de la couchendes protons a la couchen+ 1 des neutrons en se transformant en
neutrons. L'ecart d'energie entre les deux noyaux est 2E. Si on passe a un noyau (N+ 3;Z3), c'est a direN=Z+ 6, un troisieme proton doit se transformer enneutron. Il ne peut venir que de la couchen1 et aller sur la couchen+ 2 avec un ecart d'energie apportee
3E. La dierence totale d'energie entre les noyaux (N;Z) et (N+ 3;Z3) est donc 2E+ 3E= 5E.
On peut poursuivre le raisonnement et la variation d'energie sera :NZ246810121416 variation d'energie par rapport a un noyau (N;Z)E2E5E8E13E18E25E32E(NZ)2=80.524.5812,51824,532 On peut approximer ce tableau en notant que pour passer deN=Z=A=2 aN=AZavecN > Z, il faut une energie(NZ)28 E.On peut approximer la valeur de Een prenant un modele de particule quantique dans un puits de potentiel
a 3 dimensions. On sait qu'a une dimension, E/1=a, ouaest la largeur du puits. Pour un puits a 3 dimensions,
E/1=a3, aveca3le volume de la boite, ici le volume du noyau/R3. Donc E/1=R3/1=A. La dierence d'energie de liaison entre un noyau (A=2;A=2) et un noyau (N;Z) ayant le m^emeAest jB(N;Z)B(A=2;A=2)j=(NZ)28AComme les neutrons en excedent sont sur les niveaux superieurs donc moins lies. L'energie de liaison totale doit
donc ^etre diminuee :B(N;Z)B(A=2;A=2) =asym(NZ)2A
Terme d'appariement
On a suppose les forces nucleaires independantes du spin... or, il n'en est rien. Les nucleons de m^eme nature
ont tendance a se grouper par paires de nucleons a spin antiparallele. Ceci se voit par exemple avec les noyaux
pair-pair qui sont plus lies que les noyaux impairs de masse comparable. Cet eet est empiriquement corrige et
vaut : =8 :(A) siNetZsont pairs0 siAest impair
(A) siNetZsont impairs La valeur adoptee pour (A) (Bohr et Mottelson, 1969) est (A) =apA1=2MeV avecap= 12 MeV. Une valeur plus recente est donnee plus bas.L'energie moyenne par nucleon devient donc
BA =avasurfA1=3acZ2A4=3asym(NZ)A
2 +A (2.7) L'importance relative des dierents termes, a part celui d'appariement, est montree sur la gure 2.516Chapitre 2 { Masse des noyaux, energie de liaison et modele de la goutte liquideFigure2.5: Contributions des dierents termes dans l'expression de l'energie de liaison. (c) UdS
Les eets purement quantiques et le terme de surface expliquent la croissance deB=Aobservee pour lesnoyaux legers; l'accroissement de la repulsion coulombienne rend compte de la diminution deB=Apour les
noyaux lourds.La gure
2.6 mon trela qualit ede l'accord dans le cas des no yauxpair-pair. L' ecartdevien timp ortantp our des noyaux dont le nombre de protons ou neutrons est egal aNouZ= 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Ces noyaux ont une energie de liaison plus elevee que leurs voisins et les nombres correspondants ont recu
le nom denombres magiques. Ces proprietes de stabilite pour des nombres donnes de constituants suggerent
quotesdbs_dbs42.pdfusesText_42