Constituants du noyau. Sa stabilité
Physique du noyau de l’atome

1.1 Généralités

Petit édifice au cœur de l’atome (figure 1 a), le noyau constitue un milieu extraordinairement dense formé de protons et de neutrons (figure 1 b). Son existence a été établie par Lord Rutherford en 1911, à la suite d’expériences de diffusion de particules α (noyaux issus d’émetteurs radioactifs). Après sa découverte, une vingtaine d’années ont été nécessaires pour élucider sa composition. La découverte du neutron par Chadwick en 1932, a permis de comprendre que le noyau d’un atome de numéro atomique Z et de nombre de masse A comporte :

Z protons

et

N = (A − Z ) neutrons.

On a longtemps considéré protons et neutrons comme des particules fondamentales. Aujourd’hui, de nombreuses observations expérimentales ont imposé l’idée qu’ils ne sont pas élémentaires.

Chacun d’eux est constitué de trois quarks (figure 1 c), liés par des gluons qui sont, à ce niveau d’infiniment petit, les vecteurs de l’interaction forte responsable de leur cohésion : ainsi, le proton contient deux quarks « up » et un quark « down », le neutron est formé d’un quark « up » et deux quarks « down ». Ces quarks sont aujourd’hui considérés, avec les leptons, comme les constituants ultimes de la matière, rien n’ayant à ce jour indiqué qu’ils pourraient avoir eux-mêmes une structure (cf., dans ce traité, l’article Particules élémentaires et interactions fondamentales).

La description la plus complète du noyau devrait donc considérer ces constituants élémentaires en interaction. Cependant, les quarks sont confinés dans les nucléons ; la stabilité de ces derniers est si grande que, aux énergies mises en jeu quand on s’intéresse aux noyaux, leur structure en quarks peut être oubliée, protons et neutrons étant les seuls constituants pris en compte (figure 2). Le tableau ...