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Le nucléaire au quo.dien
Ou comment comprendre que le noyau est au cœur de l’atome et de
notre vie
Qui suis-‐je?
Le parcours souhaité
• Comment les noyaux ont commencé à naître • Comment ils con;nuent de naître • Ce qu’ils sont • Ce qu’ils sont parmi les radia;ons • Comment on les étudie • Comment les voir, les changer • Comment on les u;lise
Ou exprimé autrement…
Ce que nous voulons faire… 1/2
• Saisir l’essence de notre monde matériel
• Comprendre ce que nous sommes • Comment nous y sommes arrivés • Comment nous nous y maintenons
Ce que nous voulons faire… 2/2
• Comment nous sommes des agents intelligents, malgré tout.
• Appréhender la quintessence de notre recyclage sempiternel… équilibre requis!
Modus operandi
• Des ques;ons • Des interrup;ons • Des discussions • Des réponses à vos aKentes • Tout instrumental que… • Un privilège • Notre devoir… ecce natura!
En un mot…
• La voie du labyrinthe!
• Par la gauche ou la droite? Au choix!
• Mais certainement qu’on va faire des zigzags!
• Je vais tenter d’être votre fil d’Ariane, si vous préférez ceJe solu.on.
Le nucléaire au quotidien:
Comprendre notre monde… 1. Aperçu de nos rencontres
2. La matière: notre vision – le TEMPS
3. Mode d’acquisition du physicien nucléaire
4. Comment on y est arrivé
5. La radiation électromagnétique
6. Le noyau
7. La naissance des noyaux
8. Radiation naturelle
9. Les applications
10. Et le reste!
• Et le vivre correctement! • Comment?
– En sachant ce qu’il est
Gracieuseté de mon collègue Laurent Drissen
Le calendrier cosmique 1er janvier: BIG BANG (Il y a 13,7 milliards d’années)
15 février: formation de la Voie lactée
1er septembre: naissance du Soleil et de la Terre
Le calendrier cosmique
13 décembre: premiers invertébrés sur Terre
25 décembre: premiers dinosaures
30 décembre: extinction des dinosaures
Le calendrier cosmique
31 décembre:
21 h 00: premiers australopithèques
23 h 58: humains modernes
23 h 59 m 30 s: débuts de l’agriculture
23 h 59 m 47 s: construction des pyramides
23 h 59 m 59 s: Galilée découvre les lunes de Jupiter (il y a 400 ans)
23 h 59 m 59,7 s: Becquerel découvre la radioactivité (en 1896)
Minuit: notre cours actuel
D’abord…
-‐ Où nous situons-‐nous sur l’échelle du temps universel?
À la toute fin!
-‐ Rappel que nous sommes très éphémères… Pour combien de temps sommes-‐nous là?
Notre coffre à ou;ls…
Les échelles: l’énergie
• L’unité d’énergie est le MeV: million d’électronvolt
• 1 eV = énergie ciné;que acquise par un électron dans une différence de poten;el de un volt = 1,602 x 10-‐19 joule
• 1 joule = Unité légale de travail et d'énergie (symbole: J) Equivalent à 1 W.s ou à 1 N.m.
• 1 calorie = 4,18 joules • 1 joule = 6,24 x 1018 eV
Explosion de Ivy Mike, la première bombe H testée, le 31 octobre 1952.
http://www.science-et-vie.net/definition-bombe-h-453.html
Les échelles: les dimensions
• Diamètre d’un neutron ou d’un proton: ≈ 1 fm
• 1 fm = 1 femtomètre • 1 femtomètre = 10-‐15 mètre • Diamètre d’un noyau d’uranium = 16 fm
À l’autre extrémité du spectre… Le demi-‐grand axe de l’orbite de la Terre autour du Soleil (improprement appelé « distance de la Terre au Soleil ») 149 597 870 km, est la défini6on originale de l’unité astronomique (ua).
Il faut 8 minutes (et une vingtaine de secondes) pour que la lumière du Soleil parvienne jusqu’à la Terre
http://fr.wikipedia.org/wiki/Soleil
Les échelles: les temps de vie
• De 10-‐19 seconde par exemple pour le 8Be à 1019 années pour le 209Bi, soit 3 x 1026 secondes…
• Soit donc sur 45 ordres de grandeur • 1000000000000000000000000000000000000000000000 • Âge de la terre: 4 x 109 années… seulement! • 4 x 109 années = 4 000 000 000 années = 4 Ga • Mais pourquoi introduire ces no.ons?
Incroyable… • Mais vrai! • Un noyau STABLE sera perpétuellement dans son même état si on ne le dérange pas
Mais comment donc le noyau se manifeste-‐t-‐il?
• De quelle manière pouvons-‐nous le connaître? • Faut-‐il le provoquer? L’exciter? • Oui, il le faut, mais plusieurs se font connaître autrement.
• Nous avons compris ces divers processus… et c’est ce que nous désirons savoir.
• Essayons d’y voir clair.
Becquerel a découvert la radioac;vité en 1896…
• Mais auparavant on connaissait la radia6on électromagné6que
• Non le spectre complet, surtout le visible • L’unifica6on viendra plus tard quand on aura saisi la nature du noyau et les manières de ce dernier de se manifester, de se transformer
• Les rayons α, β et γ se sont pointés, mais n’an6cipons pas
Un noyau qui se fait connaître se transforme, d’une manière ou d’une autre: on a appris à
comprendre ses manifesta.ons
L’alchimie, ce grand rêve? • Vous venez de comprendre que sa réalisa;on, sa concré;sa;on, commence à se manifester
• Ça devait passer par la physique! • CeKe an;cipa;on d’un changement à volonté qui existait dans la Nature
L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence ν ou f Le spectre électromagnétique
Rayons Gamma
Rayons X Ondes radio Micro-ondes
Infrarouge
Visible
Énergie élevée,
courte longueur d’onde
Énergie basse,
grande longueur d’onde
€
E = hν ≡ ω
(Max Planck, 1900; Albert Einstein 1905)
€
c = λν
c /ν = λ
• c = λν • c = λf • vitesse • fréquence • longueur
http://www.cna.ca/curriculum/cna_radiation/introduction-fra.asp?pid=Introduction
La ques;on devait être plus fondamentale:
• Après la découverte de la radioac;vité (1896) – des rayons X (1896) avec Roentgen – du noyau avec Rutherford (1904) – de l’énoncé de la théorie de la rela;vité avec Einstein (1905)
– de la no;on – non encore complètement assimilée – de la dualité onde – corpuscule
– de la quan;fica;on de l’énergie
On a vite saisi qu’il fallait plus pour comprendre:
De quoi est faite la ma.ère?
• Il y a les par;cules élémentaires… qui cons;tuent tout le monde réel
• Le noyau est le cœur de l’atome • L’atome n’est composé que du noyau et d’électrons
• Le noyau ne comprend que des neutrons et des protons
• C’est donc simple!
http://quarks.lal.in2p3.fr/afficheComposants/Images/AfficheFRfinaleA4.jpg
Ques;on de se fixer les idées: Le Big Bang des physiciens (Les dossiers de la Recherche, #35, mai 2009)
• Temps Température Phénomène Expérience • 10-‐43 s 1032 K Découplage gravité-‐él.nuc • 10-‐36 s 1028 K Découplage forte-‐électrofaible Mes. ctes coup LEP • 10-‐33 s 1025 K Plasma quarks-‐gluons • 10-‐12 s 1016 K Découplage faible-‐él.magné;que Boso. inter. W,Z LEP • 10-‐10 s 1014 K Par;cules acquièrent leur masse B Higgs 2010 Fermi. • 2012 LHC • 10-‐6 s 1013 K Forma;on protons et neutrons SPS 2000 BNL 2003 • 1 à 200 s 1010 à 109 K Nucléosynthèse primordiale:p,He,Li Phys. Nucléaire • 380 000 ans 104 à 103 K Recombinaison des électrons Fd cosmo:65,2003,9 • 400.106 ans Premières étoiles 2003, 2009 • 109 ans Premières galaxies 1996, 2004, 2009 • 13,7. 109 ans 2,73 K Aujourd’hui
Les particules et la lumière (particule ou onde?) interagissent entre elles par l’intermédiaire de quatre forces fondamentales:
• La force gravitationnelle -
• La force électromagnétique -
• La force nucléaire forte -
• La force nucléaire faible -
Les particules et la lumière interagissent entre elles par l’intermédiaire de quatre forces fondamentales (suite) : Wikipédia est une source correcte pour ce genre d’information (comme ici).
• La force gravitationnelle - agit sur toutes les particules, rayon d’action illimité. Elle nous maintient sur Terre et fait tourner la Terre autour du Soleil. C’est la plus faible et la plus mystérieuse de toutes les interactions.
• La force électromagnétique - agit sur toutes les particules chargées. Lumière, ondes radio, aimants, appareils électriques, réactions chimiques, … Rayon d’action illimité en principe.
Les particules et la lumière interagissent entre elles par l’intermédiaire de quatre forces fondamentales (fin):
• La force nucléaire forte - maintient la cohésion entre les quarks dans les protons et neutrons, maintient ces particules dans le noyau atomique. Rayon d’action très petit.
• La force nucléaire faible - Responsable de certains types de radioactivité. Essentielle dans les réactions nucléaires au coeur du Soleil. Rayon d’action très petit.
• C’est toujours du même et du pareil!
• Et si on ajoutait E = mc2 ? • Serions-‐nous dans le champ?
€
E = hν ≡ ω
€
c = λν = λf
€
E = kT /2 ≡ ω
L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence ν Le spectre électromagnétique
Rayons Gamma Rayons X Ondes radio
Micro-ondes
Infrarouge
Visible
Énergie élevée,
courte longueur d’onde
Énergie basse,
grande longueur d’onde
€
E = hν ≡ ω
(Max Planck, 1900; Albert Einstein 1905)
€
c = λν
Mais c’est quoi, un noyau?
• C’est simple: tous les noyaux ne con;ennent que des protons et des neutrons
• Neutron: n , par.cule neutre • Proton: p , par.cule chargée posi.vement • Atome = noyau + des électrons
• TOUTE LA MATIÈRE = électrons + neutrons + protons
• Hydrogène: H Nombre atomique 1: 1 p • Hélium: He Nombre atomique 2: 2 p • Lithium: Li Nombre atomique 3: 3 p • Béryllium: Be Nombre atomique 4: 4 p • Bore: B Nombre atomique 5: 5 p • Carbone: C Nombre atomique 6: 6 p • Azote: N Nombre atomique 7: 7 p • Oxygène: O Nombre atomique 8: 8 p • Fluor: F Nombre atomique 9: 9 p • Néon: Ne Nombre atomique 10: 10 p • Et le reste!
Et les neutrons? • Un atome a des isotopes… selon son nombre de neutrons:
1H: 1 proton, sans neutron hydrogène stable 2H: 1 proton, 1 neutron deutérium stable 3H: 1 proton, 2 neutrons tri;um instable 3He: 2 protons, 1 neutron hélium-‐3 stable 4He: 2 protons, 2 neutrons hélium-‐4 stable 5He: n’existe pas 6He: 2 protons, 4 neutrons hélium-‐6 instable 8He: 2 protons, 6 neutrons hélium-‐8 instable Et le reste!
Par exemple le carbone
• Seulement deux isotopes stables: 12C et 13C
• Le carbone 14: 14C, est instable, d’où sa capacité de permeKre la data;on… au carbone!
• Pourquoi? • Ce qui ne change pas avec le temps ne pourra donner un signe du temps qui passe.
• hKp://www.informaworld.com/smpp/sec;on?content=a914772475&fulltext=713240928
• Two-‐Proton Radioac.vity: New Insights into the Atomic Nucleus, B. Blank, CEN Bordeaux
Désintégra;on à deux protons
Schema.c representa.on of the two extreme pictures of 2p radioac.vity:
Uncorrelated decay (lem) and 2He decay (right). Both are rather schema.c views of 2p radioac.vity. A more realis.c picture as in the three-‐body model of Grigorenko et al. yields a more complicated correla.on behavior than these simple pictures. (Figures courtesy of J. Giovinazzo.)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Helium_atom_QM.svg
Aberra;ons…
• Référendum italien contre les centrales: Phenix
• En Belgique… • Diablo Canyon, Ca • Mine d’uranium: ailleurs? Des chiffres? • Saskatchewan
• Au Canada, de nombreux témoignages font ressor;r la nature meurtrière de l'exploita;on de l'uranium. Publié en 1982 par la Commission de contrôle de l'énergie atomique, le rapport Thomas/MacNeil a révélé qu'un mineur exposé pendant 50 ans aux doses maximales de radia;ons permises par la loi serait quatre fois plus suscep;ble de contracter un cancer du poumon que le grand public. À ce rythme là, on pourrait s'aKendre qu'un mineur d'uranium sur cinq meure d'un cancer du poumon au Canada.
• hKp://www.ccnr.org/uranium_cnp_f.html#ris
