Le noyau est-il un système lié ?
Existe-t-il
une forme d’énergie dans le noyau atomique ?
Phénomène étrange :
le défaut de masse
Il
y a un phénomène étrange : si on mesure la masse d’un noyau, on
constate qu’elle ne correspond pas à la somme des masses de ses constituants
(les nucléons). En réalité la masse du noyau est plus faible que la somme des
masses des protons et des neutrons qui constituent ce noyau.
.
Exemples : La masse d’un
noyau de carbone possédant 6 protons et 6 neutrons (
) est de 12
uma ;
La masse de ses constituants est de :
6. masse p+ +
6. masse n0 =
6.1,0073 + 6.1,0091 = 12,0984 uma
Il y a une
différence de masse de :
Dm
= 12,0984 – 12 = 0,0984 uma
Cette
différence de masse s’appelle le défaut de masse.
masse
noyau + défaut de masse = masse p+
+ masse n0
D’où vient cette différence ?
Equivalence masse - énergie
Il
a fallu attendre un génie pour nous expliquer cet étrange phénomène, et en
1905 Albert
Einstein postule que toute masse est une forme
d’énergie (appelée énergie de masse) et nous présente sa fameuse relation :
E =
m . c²
Energie de masse masse vitesse de la lumière
Joules kilo gramme 3. 108 m/s
Ordre de grandeur
Si on compare l’énergie de masse à l’énergie cinétique d’une personne de 60 kilogrammes marchant à la vitesse de 5 km/h, on constate que l’énergie de masse est gigantesque.
|
Energie
cinétique |
Energie
de masse |
|
Avec :
m : la masse en kilogramme ;
v : la vitesse en mètre par seconde ;
E : l’énergie cinétique en Joules. |
Avec :
m : la masse en kilogramme ;
c : la vitesse de la lumière en mètre par
seconde ;
E : l’énergie de masse en Joules. |
Avec
cette comparaison, on se rend compte que l’énergie de masse est très grande,
c’est pourquoi les physiciens utilisent une autre unité que le joule :
l’électronvolt.
Energie de liaison nucléaire
Le
principe de
l’équivalence de la masse et de l’énergie énoncé
par Einstein permet d’expliquer la signification du défaut de masse. Car,
pour Einstein,
il ne faut pas aborder le problème du défaut de masse à partir des masses
elles-mêmes, mais à partir de leur énergie de masse.
Etant
donné que la masse du noyau de
est inférieure à celle de ses
nucléons, c’est que masse diminue lorsque l’on regroupe des neutrons et des
protons dans un noyau. Lors de ce regroupement, il doit y avoir une diminution
de l’énergie du système qui se traduit par une libération d’énergie. La
formation d’un noyau respecte ainsi le principe de la conservation total de l’énergie dans l’univers.
Concrètement,
nous pouvons calculer l’énergie libérée lors de la formation d’un noyau
de
, pour cela il suffit de calculer l’énergie de masse équivalente au défaut
de masse du
sans oublier de transformer toutes
les unités en unité de système international.
Transformation
des unités de masse atomique en kilogramme :
0,0984
. 1,66 10-27 = 1,633.10-28 kg
Calcul
de l’énergie de masse :
E = m.c² = 1,
633.10-28 . (3.108)²
= 1,47.10-11 Joules
Transformation
des joules en électronvolts :
1,47.10-11
/ 1,6.10-19 »
9,23.107 eV
Ceci
prouve qu’un noyau est un système lié, puisque nous devrions fournir une énergie
de 9,23.107 électronvolts pour séparer les nucléons d’un noyau
de carbone
.
En conclusion, pour séparer les protons et les neutrons il
faudrait un apport d’énergie (réaction endothermique) qui soit égale à
l’énergie de masse du défaut de masse. Ceci est une énergie colossal que
nous ne pouvons fournir. Et inversement, on peut dire que la formation d’un
noyau à partir de nucléons est une réaction exothermique qui libère une énergie
égale à l’énergie de masse du défaut de masse.
Nous appelons cette énergie de masse de défaut de masse : l’énergie
de liaison nucléaire, car c’est grâce à cette énergie que les noyaux
atomiques existent.
Force de liaison nucléaire
S’il
faut beaucoup d’énergie pour séparer les nucléons, c’est qu’il existe
une force d’attraction très intense entre les nucléons. Cette force qui
assure la cohésion du noyau est appelée force nucléaire
ou encore
force d’interaction forte.
