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La carte des noyaux

Les progrès de la physique nucléaire et les efforts réalisés durant plusieurs décennies ont permis de répertorier 287 espèces nucléaires (ou nucléides) « naturelles » (stables ou quasi-stables) et plus de 2500 nucléides radioactifs. Certains radioéléments ont des temps de vie si brefs qu'ils ont à peine le temps de s'entourer d'électrons et de former un atome. Les spécialistes ont l'habitude de répertorier tous les nucléides sur une carte en fonction des nombres de neutrons et de protons. .

Carte des nucléides en 1940
Carte montrant les nucléides qui étaient connus avant 1940. Ces noyaux stables ou quasi-stables suivent une ligne qui correspond au fond de la vallée de stabilité. Cette ligne se termine avec l'uranium-238 composé de 92 protons et 146 neutrons, le noyau naturel le plus lourd, lui-même radioactif. La zone en grisé correspond aux nucléides connus aujourd'hui et qui sont beaucoup plus nombreux.
NUCLEUS
C'est la carte des noyaux qui fait partie de la Bible des physiciens nucléaires.

Comme les cartes topographiques indiquant le relief, la carte peut être enrichie en indiquant le degré de stabilité du noyau. Ce degré de stabilité est mesuré par l'énergie de liaison moyenne des nucléons du noyau. Cette énergie de liaison est directement reliée par la relation E=Mc2 d'Einstein, à l'énergie de masse du noyau divisée par le nombre de ses nucléons (protons et neutrons).

Si l'on considère que cette masse divisée par le nombre de nucléons représente une altitude, les noyaux stables ou quasi stables se répartissent sur la carte des nucléides au fond d'une sorte de vallée que l’on appelle vallée de stabilité. Le début de la vallée correspond à des noyaux légers, pour lesquels on observe une égalité ou quasi-égalité entre les nombres de protons et neutrons. Pour des noyaux moyens et lourds, on onserve un excès croissant de neutrons.

Le bout de la vallée est atteint avec le nucléide stable le plus lourd qui est le Bismuth-209 avec 83 protons et 126 neutrons. Au-delà, on trouve des noyaux instables., des noyaux trop lourds qui se désintègrent en noyaux plus petits. Mais ces désintégrations peuvent être lentes et sans être stables, des noyaux comme le thorium-232, l'uranium-235 et 238 sont encore présents dans l'écorce terrestre. Le nucléide naturel le plus lourd est l’uranium-238 avec 92 protons et 136 neutrons.

La courbe d'Aston
L'énergie de liaison par nucléon représente l'énergie à dépenser en moyenne pour arracher un nucléon d'un noyau. C'est un étalon de la stabilité d'un noyau. Cette courbe de l'énergie de liaison en fonction du nombre de nucléons porte le nom du physicien anglais F.W.Aston, qui fut un des pionniers des mesures de masse des noyaux et obtint un prix Nobel en 1922. Un classique de la physique nucléaire, la courbe d'Aston montre que pour les noyaux naturels il faut dépenser environ 8 MeV pour arracher un nucléon et que l'énergie de liaison passe par un maximum de 8,8 millions d'électronvolts (MeV) pour le nickel-62 et diminue ensuite lentement pour atteindre 7,6 millions d'électronvolts pour l'uranium.
IN2P3
L'énergie de liaison moyenne par nucléon est un étalon de la stabilité du noyau. Cette quantité est fonction de sa taille et de sa composition. Elle est nulle pour le noyau d'hydrogène réduit à un seul proton. Les noyaux très légers sont peu liés à l'exception remarquable de l'hélium-4 ou particule alpha dont l'énergie de liaison de 7 MeV par nucléon est très supérieure à celle de ses voisins, deutérium, tritium, hélium-3, lithium. Cette particulière stabilité explique l'émission de particules alpha par des noyaux lourds.

L'énergie de liaison par nucléon croît d'une manière générale avec la taille du noyau pour atteindre un maximum de 8,8 millions d'électronvolts pour le nickel (Nickel-62) qui est le plus stable des nucléides. Elle diminue ensuite lentement pour atteindre 7,6 millions d'électronvolts pour l'uranium.