Fiche de révision
Physique

Le noyau atomique

Protons et neutrons serrés dans un minuscule noyau : quelle énergie les retient ?

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Fiche de révision de Physique : « Le noyau atomique », proposée par ndolomath.com

Le noyau atomique

💡 Idée principale : le noyau contient Z protons et N neutrons. Sa masse est inférieure à la somme des masses des nucléons : ce défaut de masse correspond à l’énergie de liaison, Eℓ=Δmc2.
Étapes résumées
  1. Notation ZAX, avec A = Z + N.
  2. Isotopes : même Z, A différent.
  3. Défaut de masse : Δm=Zmp+Nmn−mnoyau.
  4. Énergie de liaison par nucléon : indicateur de stabilité (courbe d’Aston).

Composition du noyau

1. Protons et neutrons

Les nucléons sont liés par l’interaction forte.
Le carbone 12 a 6 protons et 6 neutrons.
Le rayon d’un noyau est de l’ordre de 10−15 m.
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2

Isotopes

Des noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais pas le même nombre de neutrons.

Exemple : 612C, 613C et 614C.

3. Comprendre la cohésion du noyau

Les protons sont tous chargés positivement : ils devraient se repousser violemment. S’ils restent serrés, c’est grâce à l’interaction forte, très intense mais de très courte portée, qui attire protons et neutrons. Les neutrons jouent un rôle de « colle » : sans eux, les noyaux lourds ne pourraient pas exister.

Énergie de liaison

Eℓ=Δm×c2

On utilise souvent l’unité de masse atomique : 1 u ≈ 931,5 MeV/c².

Exemple guidé

Énoncé

Le défaut de masse de l’hélium 4 vaut 0,0304 u. Calcule son énergie de liaison et l’énergie par nucléon.

Solution

Eℓ=0,0304×931,5≈28,3 MeV.
EℓA≈7,1 MeV/nucléon.
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Courbe d’Aston
  • Les noyaux les plus stables ont A ≈ 60 (fer).
  • Les noyaux lourds peuvent fissionner, les légers fusionner : les deux libèrent de l’énergie.

Calculer une énergie de liaison

Exercice type

Énoncé

Calcule l’énergie de liaison par nucléon de l’hélium 4. Données : mp=1,00728 u, mn=1,00866 u, m(He)=4,00151 u, 1 u=931,5 MeV/c2.

Solution

Défaut de masse : Δm=2(1,00728)+2(1,00866)−4,00151=0,03037 u.
El=0,03037×931,5≈28,3 MeV.
Par nucléon : 28,34≈7,07 MeV.

Lire la courbe d’Aston

  • Plus El/A est grande, plus le noyau est stable ; le fer 56 est vers le sommet.
  • Les noyaux lourds gagnent en stabilité en se cassant (fission), les légers en fusionnant.
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À toi de jouer

1. Combien de neutrons dans 92235U ?
2. Que représente Δm c² ?
3. Quel noyau est parmi les plus stables ?

Réponses : 143 · l’énergie de liaison · le fer. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.

Erreurs fréquentes

  • A est le nombre de nucléons, pas de neutrons.
  • La masse du noyau est plus petite que la somme des masses de ses nucléons.
  • Unités : MeV et u à manier avec soin.

Méthode

Calcule Δm, convertis en énergie avec 931,5 MeV/u, puis divise par A pour comparer la stabilité.
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