L’atome, de Dalton à ITER (Au cœur de la matière 1)

dimanche 17 septembre 2017.
 

Partie 1 L’atome, de Dalton à ITER

Le matérialisme considère que la matière construit toute réalité. Il s’oppose à tout courant pour lequel une transcendance domine la matière.

Quelles que soient les formes apparentes de la matière : solide, liquide, gazeuse, minérale, organique, végétale, animale, vivante ou inanimée, on sait que la matière est constituée d’atomes mais il a fallu de nombreuses expériences de physique et de travail théorique pour aboutir à cette connaissance.

L’intériorisation culturelle de cette vision scientifique du monde qui considère que, par delà la diversité des existants, apparaît une communauté de substance (de nature) du monde physique, classe notre civilisation occidentale technicienne dans la matrice ontologique des sociétés de type naturaliste selon la classification de l’anthropologue Philippe Descola . (Les trois autres types de schèmes mentaux étant : l’animisme, l’analogisme, le totémisme).

Du point de vue anthropologique, Philippe Descola montre que toute civilisation établit une césure existentielle : la distinction entre la physicalité et l’intériorité.

Pour les naturalistes, la différence de nature entre les êtres ne résulte pas de leur apparence physique mais du fait qu’ils possèdent ou non une intériorité ou possèdent des intériorités différentes.

Dans une société animiste, c’est l’inverse : tous les existants possèdent une intériorité de même nature mais ce qui les différencient, ce sont leur apparence physique, leurs formes extérieures.

Pour plus amples explications voir : http://agorange.net/conf_decola.PDF

Cela ne veut pas dire que chaque société soit purement naturaliste, animiste, etc.

Une société a pu évoluer d’un type à un autre et il peut exister des survivances d’une vision analogiste ou animistes dans une société naturaliste comme la nôtre par exemple.

Vivre dans une société naturaliste ne signifie pas pour autant être matérialiste.

L’intériorité est le résultat d’une activité psychique et les non matérialistes considèrent le psychisme comme étant de nature transcendante voire divine. Les matérialistes ne nient pas l’existence de l’esprit mais considèrent que celui-ci est une forme d’existence de la matière complexe.

En s’appuyant sur les développements récents de la théorie de l’émergence, la pensée peut être considérée comme un phénomène émergeant de l’activité neuronale sans que cette émergence signifie transcendance.

Sur l’émergence, voir par exemple le bon article : http://www.philosciences.com/Genera... Tout ceci pour relativiser notre conception matérialiste du monde du point de vue anthropologique et philosophique.

Mais être matérialiste signifie aussi être bien informé de l’état des connaissances scientifiques contemporaines sur la nature de la matière. C’est le sens essentiel de cette contribution.

Or la découverte récente du boson de Higgs constitue un acquis scientifique majeur sur la connaissance de la matière et complète ainsi la pièce manquante (et aussi clé de voûte) de ce que l’on appelle en physique contemporaine "le modèle standard" . Ce modèle rend compte d’une manière cohérente de l’ensemble des phénomènes observés concernant les particules élémentaires, c’est-à-dire du monde sub-atomique qui constitue la trame même de la matière.

Cet exploit scientifique attendu depuis de nombreuses années par les physiciens et les cosmologistes a justifié lundi 30 juillet 2012, la visite du premier ministre Jean-Marc Ayrault et Mme Geneviève Fioraso, ministre de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche au CERN (centre européen de recherche nucléaire à Genève) pour visiter le site de l’expérience "CMS" (Compact Muon Solenoid). Cette particule a été découverte dans le LHC (Large Hadron Collider ou Grand collisionneur de hadrons ) au CERN qui est opérationnel depuis septembre 2008 et dont l’une des missions principales était ajustement de montrer l’existence de ce boson. C’est le4 juillet 2012, CERN a annoncé cette découverte.

Pour comprendre pourquoi cette découverte constitue peut-être la plus importante de ces 50 dernières années en physique, examinons comment a évolué la connaissance de la matière depuis la fin du XIXe siècle.

Notre contribution est constituée de trois parties :
- l’atome : de Dalton au projet ITER .

- les idées-forces des grandes théories de la physique contemporaine

- les particules élémentaires constitutives de la matière .

Nous ne parlerons pas ici en détails de toutes les découvertes concernant l’optique, la thermodynamique, l’électricité, le magnétisme, l’électromagnétisme (dont Coulomb, Oersted, Volta, Ampère et surtout Faraday sont les figures emblématiques), qui se sont déroulées au XIXe siècle et qui ont abouti, entre autres, à la synthèse de l’électromagnétisme par Maxwell.

Néanmoins, au début de la deuxième partie, nous mentionnerons les principales découvertes concernant l’électricité et le magnétisme qui ont permis à cette synthèse d’exister. Les retombées techniques de ces découvertes sont innombrables et peuplent notre vie quotidienne Il est évident que sans ces travaux, les nouvelles théorie de la physiques du XXe siècle n’auraient pu exister.

Cet article est aussi d’actualité car la fête de la science 2012 a lieu du 10 au 14 octobre 2012. Organisée par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, elle est depuis sa création le rendez-vous incontournable des passionnés de science. Les manifestations liées à cette fête sont indiquées sur le site consacré à celle-ci : http://www.fetedelascience.fr

Comme le rappelle justement Claude Cohen-Tannoudji, Prix Nobel de Physique 1997, dans une interview à France 24, la culture scientifique est partie intégrante de la formation de l’esprit critique et est un très bon antidote contre le dogmatisme. ( voir la vidéo : http://www.france24.com/fr/20090505... )

1 – Le monde atomique.

Un atome (grec ancien atomos), « qui ne peut être divisé »)1 est la plus petite partie d’un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec un autre.

L’idée que la matière puisse être constituée de petits grains invisibles et insécables date de l’Antiquité.. Elle a été émise par Leucippe, Démocrite, son disciple et Épicure. Au XVIIe siècle, Isaac Newton pensait que la matière était composée de particules, mais c’est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d’atomes microscopiques.

C’est en estimant la taille des atomes que Loschmidt en 1865 et que Kelvin en 1870, donnèrent une consistance scientifique à cette hypothèse.

En 1869, le premier tableau périodique des éléments répertoriant les atomes connus fut établi par de Mendeleïev. Le tableau sous sa forme actuelle est consultable à : http://fr.wikipedia.org/wiki/Tablea...

Il existe 92 types d’atomes dans la nature : de l’hydrogène, le plus léger, à l’uranium, le plus lourd.

En 1874 George Stoney développe la théorie de l’électron et estime sa masse puis en1897 Thomson découvre l’électron et crée un modèle où l’atome est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).

En 1895 Röntgen découvre les rayons X. En1896 Becquerel découvre la radioactivité de l’uranium, En 1898 Marie et Pierre Curie séparent les éléments radioactifs.

En 1901, Jean Perrin propose un modèle d’atome, modèle dit planétaire, proche de celui que développeront par la suite Ernest Rutherford et Niels Bohr. Il réussit ainsi en 1908 à déterminer le nombre d’Avogadro et donc à estimer taille et masse atomiques.

En 1914, les expériences des physiciens Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck et Gustav Hertz ont solidement établi la structure de l’atome comme un noyau positivement chargé entouré d’électrons de masse plus faible. La représentation de l’atome évolua. On peut se reporter aux différents modèles successifs de l’atome à  :http://www.uvp5.univparis5.fr/wikin...

Ce modèle planétaire sert encore actuellement de référence pour l’apprentissage de la physique de la matière dans l’enseignement secondaire. Néanmoins cette vision reste très approximative car, en réalité, un électron n’est pas parfaitement localisable comme nous le verrons ultérieurement.

En 1932, en Angleterre, à partir d’expériences menées aussi en France et en Allemagne, James Chadwick fait un test confirmant les résultats et va plus loin en mesurant avec précision l’énergie des noyaux projetés en utilisant la réaction nucléaire 4He(α) + 9Be → 12C + 1n, C’est à partir de cette réaction que Chadwick découvre l’existence du neutron en 1932 . mais l’hypothèse de l’existence du neutron avait déjà été émise en1930, en Allemagne, par W. Bothe et H. Becker et en France par Joliot-Curie en 1931.

L’atome est constitué d’une part d’un noyau formé de nucléons : protons et neutrons et d’autre part de différentes couches d’électrons

L’électron.

Les électrons sont de charge négative.

Il existe au maximum sept couches d’électrons nommées K, L,M,… Au maximum une couche contient 2n² électrons (n étant le numéro de la couche en partant du noyau). Chaque couche est constituée de sous - couches définissant des niveaux d’énergie notés s, f, d, p. Voir tableau précédent.

Si un électron saute d’une couche supérieure à une couche inférieure, il émet un rayonnement (photons). Selon le niveau d’énergie de départ et d’arrivée de l’électron, l’onde émise est d’une fréquence parfaitement déterminée. L’ensemble de ces transitions énergétiques vont donc déterminer un spectre pouvant être perceptible dans le domaine visible. Pour mieux comprendre concrètement ce processus, voir la vidéo sur le spectre de l’hydrogène : http://www.youtube.com/watch?v=myjI... Si plusieurs électrons effectuent ce processus en même temps, c’est l’effet laser.

La charge de l’électron est de valeur 1,6.10-19 C (Coulomb). (La charge du proton est la même en valeur arithmétique mais est positive. La charge du proton est considérée comme unité de charge électrique pour les autres particules chargées.)

La masse d’un électron est 9,109 38.10-31 kg ou 511 keV/c² La distance d’un électron au noyau : 5,3.10 -11 m = 53 pm = 53000fm (cas de l’hydrogène)

Les liaisons chimiques entre atomes sont expliquées par Gilbert Lewis, qui propose en 1916 que la liaison covalente entre atomes est maintenue par une paire d’électrons partagées. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London expliquent complètement la formation des paires d’électrons et des liaisons chimiques en termes de mécanique quantique

Les autres constituants de l’atome

Le noyau est constitué de protons de charge identique à celle de l’électron mais de signe contraire, donc positive. Le neutron ne contient aucune charge électrique. Le nombre de protons étant égal au nombre d’électrons, (cela définit d’ailleurs le numéro atomique (noté Z), la charge totale de l’atome est donc nulle : autrement dit, un atome est neutre. Le nombre de masse (noté A) est le nombre total de nucléons du noyau.

Rutherford appelle proton la particule constituant le noyau de l’hydrogène. Le proton apparaît, à cette époque, comme la particule fondamentale de la matière avec l’électron

Les ions .

Si un ou plusieurs électrons sont arrachés à la dernière couche, cette perte d’électrons rend le nombre de protons de charge positive dominant : on obtient un ion positif appelé aussi cation, Inversement si la dernière couche capture un ou plusieurs électrons, ce gain d’électrons rend supérieur le nombre d’électrons de charge négative au nombre de protons : on obtient un ion négatif appelé aussi anion . Voir par exemple : http://mdmaths.voila.net/Chimie/sit...

Intermède : Quelques mots sur les unités de mesure à l’échelle atomique .

- Pour mesurer les distances à l’échelle atomique on utilise le picomètre (symbole : pm) qui est une unité de longueur du système métrique équivalent à 1 pm = 10-12 m ou encore 1/1 000 000 000 000 m. Cette unité du système international remplace l’ångström (1 Å = 100 pm) pour mesurer les longueurs des liaisons chimiques)

- On utilise aussi le femtomètre (symbole fm) qui vaut 10-15 = 0,000 000 000 000 001 mètre. 1pm = 1000 fm.

- Pour mesurer la masse des atomes et des molécules on utilise aussi l’unité de masse des atomes unifiés de symbole u . Sa valeur est 1/12 la masse d’un atome de carbone 12, c’est-à-dire à approximativement 1,66054 × 10 - 27 kg.

- On utilise aussi la masse énergétique en eV/c². On a alors la conversion : 1eV/c² = 1,783. 10 - 36 kg.. On abrège souvent 1eV/c² en 1eV (1 électron – volt)

- Le symbole k (kilo) signifie 1000, donc 1keV = 1000 eV ; M (méga) signifie 1 million ; G (Giga) signifie milliard ; T (tera) signifie 1000 milliards.

Par exemple, la masse de l’électron est de 511 keV/c2, celle du proton de 938 MeV/c2 et celle du neutron est de 940 MeV/c2.

Taille et masse des nucléons

La masse du proton est égale à environ 1,007276 u, soit à peu près 938,2720 MeV/c² ou 1,673×10-27 kg. La masse du proton est environ 1 836 fois celle de l’électron. La taille d’un proton : 0, 8418 femtomètre (0,8418 10-15 m)

La masse d’un neutron est égale à environ 1,0086655 u, soit à peu près 939,5653 MeV/c² ou 1,675×10−27 kg1. Le neutron est 1,0014 plus massif que le proton c’est-à-dire quasiment de même masse.

Taille d’un atome.

Le rayon moyen d’un atome varie avec sa masse : parmi les dimensions connues, il s’échelonne de 53pm pour l’hydrogène à 298 pm pour le césium. (http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome#... ). Pour fixer les idées, la masse des atomes est comprise entre 1,674×10-27 kg pour le protium et 3,953×10-25 kg pour l’uranium 238.

La taille d’un atome est environ 100 000 fois la taille de son noyau. cela signifie que si l’on agrandissait de 10000 milliards de fois un atome, le noyau mesurerait environ 1 cm et les électrons les plus proches se situeraient à 100 000 cm soit environ 1 km, d’où cette idée : la matière est faite plus de vide que de plein ! (Mais il faudrait relativiser ici la notion de vide). De sorte que si l’on concentrait les constituants des noyaux atomiques, protons et neutrons, dans 1 cm3, sans laisser d’espace vide, ce cube pèserait environ 100 millions de tonnes

Le lecteur qui désirerait avoir un support sonore illustrant le texte précédent peut se reporter à la vidéo : http://www.youtube.com/watch?v=taxA...

Il est possible d’obtenir des images de groupements d’atomes avec un microscope à effet tunnel. Voir ces images dans ce petit document qui explique aussi la technique utilisée : http://fhqed.free.fr/files/stm.pdf

Les différents types de forces existant au sein d’un atome.

- La force d’interaction électromagnétique : c’est celle qui attire les électrons aux protons du noyau. Elle est aussi la force de liaison entre les atomes ou ions pour former des molécules. Au sein du noyau, cette même force a tendance à repousser les protons puisque les charges sont de même signe mais elle est beaucoup plus faible l’interaction forte qui domine.

- L’interaction forte  : elle assure la force de liaison des nucléons entre eux au sein du noyau. La formule de Weizsäcker, appelée aussi formule de Bethe-Weizsäcker, est une formule semi-empirique donnant une valeur approximative de l’énergie de liaison nucléaire caractérisant la liaison entre les nucléons qui constituent le noyau des atomes (pour plus de détails : http://fr.wikipedia.org/wiki/Formul... )

- L’interaction faible : est responsable de la radioactivité bêta Dans le cas de la radioactivité bêta - : un neutron est converti en proton (par l’intermédiaire de la force nucléaire faible) et une particule β- (un électron) et un anti-neutrino. Dans le cas de radioactivité bêta + : Un proton est converti en neutron et une particule β+ (un positron) et un neutrino.

Nous verrons avec les particules élémentaires, plus en profondeur, ce que signifie interaction forte ou faible en faisant intervenir les bosons intermédiaires. Dans le cas précédent interviennent les bosons W- et W+ .En effet, cette notion d’interaction sera précisée dans la troisième partie avec le modèle standard où différents types de bosons sont les vecteurs de ces interactions.

Notion d’isotope . Deux atomes sont dits isotopes s’ils ont la même nombre de protons (donc même numéro atomique Z) mais ne possède pas le même nombre de neutrons. ils appartiennent au même élément chimique mais leur nombre de masse A n’est pas le même, le nombre de neutrons étant différent. Notation : , X désignant le symbole chimique.

Un isotope peut être stable ou instable. 80 éléments possèdent au moins un isotope stable Un isotope instable se désintègre pour devenir plus stable. La radioactivité, est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables, dits radioisotopes, se transforment spontanément (désintégration) en dégageant de l’énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transformer en des noyaux atomiques plus stables ayant perdu une partie de leur masse. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des rayons α, des rayons β ou des rayons γ.

Considérons l’élément le plus répandu dans l’univers : l’hydrogène . Le protium est l’isotope le plus courant et le plus léger de l’hydrogène : 1H. Les isotopes les plus courants de l’hydrogène sont également notés selon ce principe : 2H pour le deutérium (noté aussi D) et 3H pour le tritium (noté aussi T, radioactif ( période 12,3 ans, utilisé pour les montres et réveils lumineux).

Le nombre d’isotopes varie selon les éléments. Par exemple, le Plomb " ordinaire ", de masse atomique 207,2, est un mélange de 4 isotopes stables de masses atomiques 204, 206, 207 et 208. L’Iode n’a qu’un seul isotope stable : l’Iode 127. Ses 14 autres isotopes sont instables, donc radioactifs, notamment l’Iode 131, redouté en cas de catastrophe nucléaire. La table de tous les isotopes est consultable à : http://fr.wikipedia.org/wiki/Table_... On recense 325 isotopes naturels et 1200 créés artificiellement.

Les différents types de désintégration . Il existe trois grands types de désintégration radioactive :

- Désintégration alpha : Lorsqu’un atome subit une désintégration alpha, il émet une particule composée de deux protons et de deux neutrons provenant directement de son noyau. Dans ce cas, le numéro atomique diminue de 2 et la masse de 4. Les rayons alpha sont une forme de rayonnement émis par des noyaux instables de grande masse atomique. Elles sont constituées de deux protonset deux neutrons combinés en une particule identique au noyau d’hélium (hélion) ; elles peuvent donc s’écrire He2+ Pour des informations et notamment sur la dangerosité des rayons alpha : http://fr.wikipedia.org/wiki/Partic...

- Désintégration bêta : La désintégration bêta se produit lorsqu’un neutron dans le noyau d’un atome instable se convertit en proton et qu’un électron est éjecté du noyau. Le numéro atomique augmente de un, mais la masse ne diminue que légèrement. Le rayonnement bêta est constitué d’électrons ou de positons (anti électrons) Pour plus de détails sur la radio activité bêta, voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A...

- Désintégration gamma : La désintégration gamma est la libération de l’énergie excédentaire présente dans le noyau après une désintégration alpha ou bêta, ou après la capture des neutrons dans un réacteur nucléaire. L’énergie résiduelle est émise sous forme de photon de rayons gamma. La désintégration gamma n’affecte généralement pas la masse ni le numéro atomique du radio-isotope Le rayonnement gamma est de même nature que les rayons X mais sont d’origine différente. Les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires tandis que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision d’un électron avec un atome, à haute vitesse. Comme il est possible pour certaines transitions électroniques d’être plus énergétiques que des transitions nucléaires, il existe un certain chevauchement entre les rayons X de haute énergie et les rayons gamma de faible énergie. le rayonnement gamma est moins ionisant que les deux rayonnements précédents mais est beaucoup plus pénétrant. Il peut être aussi d’origine cosmique. Pour plus de détails sur le rayonnement gamma et notamment sa dangerosité : http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_gamma

Stabilité des noyaux et nombres magiques.

Il existe des atomes particulièrement stables. En physique nucléaire, un nombre magique est un nombre de protons ou de neutrons pour lequel un noyau atomique est particulièrement stable ; dans le modèle en couches décrivant la structure du noyau, cela correspond à un arrangement en couches complètes. Les sept nombres magiques vérifiés expérimentalement sont : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Les nombres magiques, découverts dans les années 1940, ont été déterminés à l’origine par des études empiriques . Les noyaux qui ont à la fois un nombre de neutrons et un nombre de protons égaux à l’un des nombres magiques sont dits doublement magiques, et sont particulièrement stables. C’est par exemple le cas du plomb 208 qui est constitué de 82 protons et 126 neutrons et est le plus lourd de tous les nucléides stproposables existants. Le calcium 48, constitué de 20 protons et 28 neutrons, est également quasiment stable — avec une période radioactive de 4,3+3.8−2.5×1019 années1, c’est-à-dire trois milliards de fois l’âge de l’univers - et ce malgré un nombre de neutrons élevé pour un élément léger.

Le modèle en couches du noyau atomique

Le modèle en couches est une représentation du noyau fondée sur le principe d’exclusion de Pauli (voir deuxième partie) pour décrire la structure nucléaire en termes de niveaux d’énergie. Ce modèle a été développé en 1949 suite aux travaux indépendants de plusieurs physiciens, notamment Eugene Paul Wigner, Maria Goeppert Mayer et J. Hans D. Jensen. Dans ce modèle, les couches nucléaires sont constituées de sous-couches redistribuées en niveaux d’énergie susceptibles d’expliquer l’origine des nombres magiques observés expérimentalement. Ces nombres magiques correspondent au nombre de nucléons saturant ces niveaux d’énergie, ce qui conférerait aux nucléides correspondants une stabilité accrue par rapport à la formule de Weizsäcker déduite d’un autre modèle Pour plus de détails sur le modèle en couches : voir http://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3...

Deux applications médicales où interviennent les isotopes.

Une application médicale de l’utilisation d’isotopes est la scintigraphie . C’ est une méthode d’imagerie médicale qui procède par l’administration, dans l’organisme, d’isotopes radioactifs afin de produire une image médicale par la détection des rayonnements émis par ces isotopes après captation par les organes à examiner. La visualisation des rayons gamma émis est faite à l’aide d’une gamma caméra. Pour plus de détails voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Scinti...

Il n’est pas inintéressant de montrer comment, à partir de cet exemple, des découvertes de la physique sont appliquées assez rapidement, en l’occurrence à la médecine. En 1923, on applique la méthode des traceurs radioactifs à "une fonction biologique" : le métabolisme du plomb chez les plantes. A la fin des années 1920, on injecte du "Radium C" à un malade pour suivre la circulation sanguine à l’aide d’un compteur de Geiger-Müller inventé en 1928. Par la suite en 1934, la radioactivité artificielle est découverte par Irène et Frédéric Joliot-Curie. On peut à partir de ce moment créer des isotopes. En 1938, on arrive à produire de l’iode 131, qui est immédiatement utilisé en médecine ainsi que du technétium 99 utilisé maintenant comme marqueur radiopharmaceutique. En 1951, la scintigraphie est née . source : http://tpe-imagerie.over-blog.fr/pa...

Une autre application importante est la résonance magnétique nucléaire . Elle repose sur les propriétés de spin de noyaux atomiques. (On verra plus en détail cette notion de spin dans la deuxième partie) Il est observé que les noyaux (isotopes) composés d’un nombre pair de protons et de neutrons ont un nombre quantique de spin nul et ne possèdent donc pas de spin nucléaire. Par exemple, le noyau du carbone qui possède 6 protons + 6 neutrons dans sa forme isotopique la plus abondante, le 12C) n’a pas de spin, et il en est de même pour l’oxygène 16O avec 8 protons et 8 neutrons. Or seuls les isotopes atomiques qui ont un spin nucléaire (et donc un nombre quantique de spin non nul) sont sujets au phénomène de résonance magnétique nucléaire et pourront donc être étudiés en spectroscopie RMN. Par exemple, le noyau de l’hydrogène n’est composé que d’un seul proton, le spin nucléaire de l’hydrogène est donc celui du proton isolé. Comme l’hydrogène est un élément très répandu, la résonance magnétique de l’hydrogène (dite aussi RMN du proton) est une des plus utilisées, mais on exploite aussi couramment la RMN du carbone 13 ou celle du deutérium (2H), isotopes caractérisés cependant par des abondances naturelles très faibles. Pour ce type d’atomes, l’énergie apportée par l’action extérieure d’un champ magnétique pulsé approprié (sous forme d’ondes électromagnétiques ) peut être restituée sur des fréquences précises caractérisées par le champ et la nature des noyaux mis en action. Le rayonnement restitué est visualisé.

C’est Isidor Isaac Rabi qui a découvert le phénomène de résonance magnétique nucléaire en 1938. Il a reçu le Prix Nobel de physique en 1944 pour cette découverte fondatrice1. Pour plus de détails voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A...

La fission nucléaire.

L’atome d’Uranium 235 possède une propriété remarquable : son noyau peut se divisé en deux fragments sous l’impact d’un neutron. Il subit alors une fission. L’énergie de liaison , qui relie protons et neutrons au sein du noyau, se trouve ainsi libérée. La libération de cette énergie nucléaire se traduit par un dégagement de chaleur Sous l’effet de cette brisure, le noyau de l’atome d’Uranium 235 expulse deux ou trois neutrons qui pourront, à leur tour, aller briser d’autres noyaux qui expulseront d’autres neutrons…et ainsi de suite. Ce processus est appelé une réaction en chaîne . Elle est capable de fournir de grandes quantités d’énergie et de chaleur. C’est en utilisant cette chaleur que les centrales nucléaires fabriquent l’électricité.

La première réaction en chaîne à été réalisée le 2 décembre 1942 par Enrico Fermi, physicien Italien (1901-1954) alors émigré aux États-Unis, à l’université de Chicago. La première centrale nucléaire mise en service dans le monde date du 27 juin 1954 : elle est réalisée par URSS. Le premier réacteur français d’essai date de 1948 et la première centrale produisant de l’électricité est mise en service à Marcoule en 1956.

Au 1er avril 2012, 436 réacteurs de puissance fonctionnent dans 31 pays différents dans le monde et 61 sont par ailleurs en construction. A eux seuls quatre pays (États-Unis, France, Japon et Russie) disposent de 244 réacteurs soit 56 % du nombre total de réacteurs dans le monde. USA : 70 centrales comprenant au total 104 réacteurs ; France : 19 centrales et 58 réacteurs ; Japon : 15 et 50 ; Russie : 10 et 33. (pour liste mondiale complète, voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_... )

La fusion nucléaire .

La fusion nucléaire survient lorsque des nucléons ou des noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau atomique plus gros. Si l’énergie de liaison nucléaire par nucléon est plus élevée dans le nouveau noyau, il y a libération d’énergie.

C’est ce type de réaction, provoqué par l’agitation thermique des atomes portés à très haute température, qui alimente la vie de notre soleil et de toutes les étoiles de l’univers. La synthèse d’éléments plus lourds à partir d’éléments plus légers dans les étoiles s’appelle nucléosynthèse . Elle se réalise jusqu’au nickel 56 au niveau duquel s’arrête la nucléosynthèse stellaire. Au-delà, la réaction s’arrête du fait de l’énergie de liaison du noyau atomique obtenu devient inférieure à celle des noyaux initiaux. En remontant la chaîne du temps, les atomes constituant par exemple notre corps ont donc été fabriqués dans une étoile.

Les engins militaires dits "thermonucléaires" réalisent la fusion quasi instantanée de noyaux d’hydrogène dans une réaction explosive. La première bombe à fusion est communément appelée bombe H est mise au point aux Etats-Unis en 1952 et par les Russes, moins d’un an plus tard. Elle réalise la fusion de deutérium, tritium en hélium. Le lithium et le tellure interviennent aussi dans la réaction en chaîne de fusion. Pour plus de détails sur l’arme la plus destructrice inventée par l’homme, voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Bombe_H .

La première bombe H. française est mise au point en 1968. (voir : histoire des bombes atomiques http://www.linternaute.com/histoire... )

Des recherches sont en cours pour tenter de maîtriser l’énergie de fusion dans une réaction contrôlée, la chaleur récupérée devant permettre de produire de l’électricité. Le combustible utilisé, l’hydrogène (ses isotopes), étant disponible sur terre en quantités pratiquement illimitées, cela permettrait, en principe, de résoudre définitivement les problèmes d’approvisionnement du monde en électricité.

Le tokamak, machine en forme d’anneau métallique creux (tore), est la première machine pour créer une fusion nucléaire. Le tokamak a été inventé dans les années 1950-1960 par les physiciens Igor Tamm et Andreï Sakharov. Le terme « tokamak » est tiré du russe « toroidal’naja kamera magnetnymi katushkami », ce qui signifie en français : « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ».

Le principe est de chauffer à plusieurs millions de degrés un plasma d’hydrogène (deutérium tritium) confiné dans un champ magnétique puissant. C’est cette technique qui a été choisie pour le projet ITER . Cette centrale à fusion devra confiner un plasma (matière constituée d’ions) à une température de 100 millions de degrés . On peut avoir des renseignements techniques et financiers sur ce projet en téléchargeant le dossier ITER à Cadarache sur le site du CEA. http://www.cea.fr/energie/dossier_i...

L’autre technique est celle du confinement inertiel . L ’énergie proviendrait, non pas d’un plasma fusionnant de façon continue, mais de la fusion de microcapsules de combustible, répétée de façon cyclique, selon un principe analogue à celui du moteur à explosion, la fusion étant obtenue grâce à la densité et à la température atteintes dans la microcapsule lorsqu’elle est soumise à un rayonnement laser (confinement inertiel par laser), à un faisceau de particules (confinement inertiel par faisceau d’ions) ou à un processus de striction magnétique (confinement inertiel par striction magnétique). " Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Centra...

Mais il ne suffit pas de réussir à faire fusionner des atomes encore faut-il que la réaction de fusion soit énergétiquement rentable. Pour cela il faut que l’énergie produite par les réactions de fusion compense au minimum les pertes inhérentes à la production d’énergie. En pratique, on est amené à considérer la puissance perdue dans le processus et la puissance générée par celui-ci. . Le critère de Lawson stipule simplement que pour que le processus mis en place soit éventuellement rentable, il faut que la puissance générée soit supérieure à la puissance perdue. . Pour plus de détails sur cette rentabilité énergétique voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Crit%C...

Pour plus de détails sur la fusion nucléaire : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion...

Fin de la première partie

Hervé Debonrivage

Partie 2 : Les idées-forces des théories de la physique contemporaine

Partie 3 – Les particules élémentaires


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