Physique nucléaire

Le noyau est constitué de protons (charge +e) et de neutrons (neutres), appelés nucléons. Le nombre de protons Z définit l'élément chimique, tandis que le nombre de masse A = Z + N. Des noyaux ayant le même Z mais des N différents sont des isotopes. La masse du noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons séparés : ce défaut de masse Δm est à l'origine de l'énergie de liaison E_l = Δm·c². L'énergie de liaison par nucléon E_l/A rend compte de la stabilité du noyau ; elle est maximale autour du fer 56.

La radioactivité est la transformation spontanée d'un noyau instable (père) en un autre noyau (fils) avec émission de particules. On distingue les désintégrations α (émission d'un noyau d'hélium), β⁻ (électron + antineutrino), β⁺ (positon + neutrino) et γ (photon). La décroissance radioactive suit une loi exponentielle : N(t) = N₀·e^{-λt}, où λ est la constante radioactive. La demi-vie t₁/₂ = ln2/λ est le temps au bout duquel la moitié des noyaux se sont désintégrés. L'activité A = λN s'exprime en becquerels (Bq).

La fission est la cassure d'un noyau lourd (ex : uranium 235) sous l'impact d'un neutron, produisant deux noyaux plus légers, des neutrons et de l'énergie. La fusion est l'union de noyaux légers (ex : deutérium et tritium) pour former un noyau plus lourd. Ces réactions libèrent de l'énergie car les noyaux produits ont une énergie de liaison par nucléon plus élevée, se rapprochant du maximum de la courbe d'Aston. L'énergie libérée est donnée par ΔE = Δm·c², où Δm est le défaut de masse entre réactifs et produits.

La physique nucléaire a de nombreuses applications concrètes. Les centrales nucléaires utilisent la fission contrôlée pour produire de l'électricité. En médecine, la radiothérapie et l'imagerie (scintigraphie, TEP) exploitent des traceurs radioactifs pour diagnostiquer et traiter des cancers. La datation au carbone 14 permet de déterminer l'âge de vestiges organiques en mesurant l'activité résiduelle du ¹⁴C. Ces usages reposent sur la maîtrise des réactions nucléaires et de la décroissance radioactive.