Etymologie

Le mot "nucléon" dérive du mot latin "nucléus" qui signifie "noyau".

Qu'est ce qu'un nucléon ?

Les nucléons sont les particules qui constituent le noyau atomique.
Il en existe deux sortes : Les protons et les neutrons. Ces deux particules sont des baryons, ce ne sont donc pas des particules élémentaires et elles sont composées de 3 quarks.

Comment représenter un atome ?
Schéma d'un atome simple, en bleu les neutrons, en rouge les protons et en gris les électrons.

Caractéristiques physiques des nucléons

Neutron Proton
Masse (en kilogramme) 1.674927471×10−27 kg 1,672621778×10−27 kg 
Masse ( en unité de masse atomique) 1.00866491588 u 1.007276466812  u
Charge (en coulomb) 0 C 1.602176565 ×10−19 C
Charge (en charge élémentaire) 0 e + e
Rayon (en mètre) 8,62 x 10-16 m 8,4184 x 10-16 m

Nombre de nucléons dans un noyau atomique

Le nombre de nucléons dans un noyau, aussi appelé nombre de masse, est noté A. Dans un symbole atomique il est noté en haut, à gauche accompagné du numéro atomique noté juste en-dessous qui possède toujours une valeur plus petite que lui.

Dans la classification périodique le nombre de masse d'un élément est parfois un nombre décimal car il correspond à une valeur "moyenne" tenant compte de la proportion des différents isotopes naturels.

Changement du nombre de nucléons dans un noyau

Les transformations chimiques n'affectent jamais le noyau atomique, seules des réactions nucléaires naturelles ou provoquées peuvent modifier la nature ou le nombre des nucléons qui constituent le noyau atomique.

Dans le cas d'une réaction nucléaire, l'interaction forte étant extrêmement importante au sein d'un noyau (en particulier les atomes lourds, Uranium, Polonium..) la réaction, de fission ou de fusion, dégage une énorme quantité d'énergie en grande partie par rayonnement thermique.

Lorsqu'un atome voit son nombre de neutron(s) changer, il n'est plus dans sa forme initiale présente dans le tableau périodique.

Il est appelé isotope de l'atome dont il provient, ses caractéristiques physiques ne sont plus les mêmes : l'interaction interne au noyau voit sa valeur changer. Par exemple, la réaction nucléaire utilisant des isotopes la plus connue est celle des centrales nucléaires : 238U + neutron= résidu + neutron.

Le produit final n'est plus l'uranium 238, mais du résidu nucléaire, généralement un autre isotope de l'Uranium. Cette réaction dégage une grande énergie, de plus les centrales nucléaires utilisent, au même titre que la bombe atomique, la processus de réactions en chaîne.

Chaque neutron généré par la réaction entraîne à son tour une autre réaction de fission nucléaire, et ainsi de suite.

Il est difficile de changer le nombre de protons d'un noyau atomique, à cause de l'interaction forte. Dans la grande majorité des cas, les réactions nucléaires changent le nombre de neutrons.

Comment se décompose naturellement l'Uranium 238 ?
Décomposition naturelle de l'Uranium 238. A l'inverse de la décomposition stimulée qui nécessite un neutron venant frapper le noyau.

Qu'est-ce qui maintient les nucléons ensemble ?

Les nucléons sont soit neutres (les neutrons) soit chargés positivement (les protons), l'interaction électrique ne peut donc pas expliquer la cohérence du noyau, au contraire celle-ci provoque une répulsion entre les protons qui devrait conduire le noyau à se disloquer.

En ce qui concerne l'interaction gravitationnelle, celle-ci est bien attractive mais beaucoup trop faible pour s'opposer aux forces électriques répulsives.

Si les protons et les neutrons sont fermement maintenus ensemble au sein du noyau c'est grâce à une autre interaction dite "interaction nucléaire forte" qui provoque une forte attraction entre tous les nucléons.

L'interaction forte est donc au centre du noyau d'un atome. Cette interaction est l'interaction fondamentale la plus forte, puisqu'elle est 1039 fois plus important que l'interaction gravitationnelle, environ 106 fois plus forte que l'interaction faible et 102 plus forte que l'interaction électrique.

Cependant, la portée d'action de l'interaction forte est très faible, environ 10-15 m, soit la taille moyenne d'un noyau atomique.

Composition des nucléons

Les nucléons ne sont pas des particules élémentaires, ils sont composés de particules appelée quarks. Chaque nucléon est en fait l'association de 3 quarks:

  • Le proton est composé de deux quarks up et d'un quark down.
  • Le neutron est composé d'un quark up et de deux quarks down.

Les quarks sont maintenus entre eux par des gluons. Les gluons sont des bosons (de jauge) particuliers puisqu'ils sont responsables de l'interaction forte.

Les nucléons ont, comme toutes les autres particules, une certaine durée de vie. Pour les protons, leur durée de vie est de l'ordre de 1030 d'années.

Au contraire, la durée de vie moyenne d'un neutron est de seulement un quart d'heure, avant qu'il se désintègre par interaction faible en proton, en électron et en antineutrino (électronique).

Attention tout de même aux durées de vie, ces dernières sont exprimées pour des particules libres, ce qui n'est pas le cas au sein d'un atome puisque ce dernier est stable, ce qui créée une stabilité pour les protons et les neutrons qui ne se désintègrent pas à l'intérieur d'un noyau.

Fission et Fusion nucléaire

Nous avons parlé ici plusieurs fois de fission et de fusion nucléaire, sans trop expliciter leur utilités et leurs caractéristiques.

  • La fission nucléaire est la réaction nucléaire la plus connue et utilisée. C'est elle qui alimente les centrale nucléaires par la fission de l'uranium, les bombes (appelées bombes A) et ogives nucléaires. La réaction de fission est la destruction du noyau d'un atome tel qu'il est. Cette destruction crée une grande quantité d'énergie, une émission stimulé d'un neutron (qui peut être réutilisé dans le cas d'une réaction en chaîne comme dans les bombes nucléaires) et évidemment du résidu de l'atome (dans les centrales nucléaires, c'est ce qu'on appelle déchet nucléaire). Au sein des centrales nucléaires le matériau utilisé est principalement de l'uranium 238, isotope très radioactif de l'Uranium. Pour les bombes et ogives, le Polonium est privilégié. Dans les deux cas, les matériau fait partie des Actinides qui sont une famille d’éléments de type métaux lourds et bien évidemment tous radioactifs.
  • La fusion nucléaire est l'inverse de la fission. Comme son nom l'indique, il s'agit ici de fusionner deux noyaux pour n'en faire qu'un. Cette réaction est celle qui alimente la vie, puisqu'elle s'effectue constamment à l'intérieur du soleil, ainsi que dans la plupart des étoiles. Dans le cas de notre soleil, ce sont des noyaux de Tritium et de Deutérium qui fusionnent pour donner un noyau d'Hélium. Tout comme la fission, la réaction de fusion émet un ou plusieurs neutron(s). Expérimentalement, la fusion nucléaire est extrêmement difficile à réaliser car il faut vaincre l'interaction forte qui a tendance à repousser les noyaux entre eux. Ainsi une température très élevée est nécessaire. La seule expérimentation humaine est la bombe thermonucléaire, appelée bombe H (et quelques projets de centrales à fusion). La bombe H utilise une bombe atomique A classique à fission (au plutonium) pour créer un chauffage interne suffisant pour permettre une fusion nucléaire en chaîne. Sa puissance est théoriquement gigantesque, environ 1000 fois plus puissante que la bombe A.
A quoi ressemble une explosion thermonucléaire ?
Image de l'explosion d'Ivy Mike, première bombe H (1952)

Dans le cas de la fusion, le matériau utilisé, que ce soit de l'Uranium ou du Polonium, possède une demi-vie particulièrement longue de l'ordre de plusieurs centaines d'années. Cela pose un vrai problème car il nous est impossible - actuellement - de les traiter pour les rendre inertes.

Conclusion

Les nucléons sont des particules, non élémentaires, qui peuvent être chargées positivement, elles seront appelées protons, ou neutres et seront appelées neutrons.

Ce sont les deux particules composant le noyau de chaque atome. Un isotope est un atome auquel on à enlevé ou ajouté des neutrons, il ne possède donc plus les mêmes caractéristiques physiques que l'atome dont il provient.

La fission nucléaire consiste à scinder un noyau, la fusion à transformer deux noyaux légers en un seul noyau plus lourd. Dans ces deux cas, la réaction émet une grande quantité d'énergie ainsi qu'un ou plusieurs neutrons, pouvant être utilisés pour des réaction en chaîne.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).