NOMBRES – Curiosités, Théorie et Usages Accueil DicoNombre Rubriques Nouveautés Édition du: 22/07/2022 Orientation générale  DicoMot Math Atlas Actualités M'écrire Barre de recherche DicoCulture Index alphabétique Références Brèves de Maths
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	Sommaire de cette page >>> Approche >>> Place des nucléons parmi les particules >>> Protons & neutrons >>> Énergie de liaison >>> Rayon du proton en 2013 >>> Noyaux dans l'Univers >>> Éléments stables >>> Masse des nucléons >>> Composition >>> Durée de vie du proton & antiproton

NUCLÉONS

Neutrons & Protons

Un couple de particules au cœur du noyau atomique, chacun formé de 3 quarks. Combien sont-ils dans l'Univers ?

Un atome d'hydrogène comprend un électron et un proton comme seul constituant du noyau. L'électron s'en va, reste le proton qui n'est rien d'autre que l'ion H⁺.

Le noyau est 200 000 milliards de fois plus dense que l'eau.

Taille de l'atome: 10^-10 mètre.

Taille du noyau: 100 000 fois plus petit (10^-15 m).

99,999999999999 % de vide dans l'atome. Le noyau dans l'atome: une orange au centre d'une très grande place circulaire.

Le noyau concentre 99,9 % de la masse de l'atome et n'occupe qu'une place infime (rapport: 10^-15 / 10^-10 = 10^-5).

Voir Matière / Couches électroniques / Pauli et neutrino / Pauli et 137

Approche

Si on imagine

Un atome comme une sphère de 100 m de rayon,

alors, le noyau est de la taille d'un petit pois.

Historique

En 1911, Rutherford bombardait une plaque d'or avec des particules alpha (noyau d'hélium). Certains rayons alpha ricochaient. Rutherford venait de découvrir le noyau.

Comme si dans un jeu de quille, l'une d'entre - elles, 50 fois plus lourde que les autres, renvoyait la balle à l'envoyeur. Ou … comme du papier de soie qui renverrait l'obus projeté vers lui.

PLACE des NUCLÉONS (schéma simplifié)
FERMION Composant la matière		LEPTON =>	Électron
	HADRON Sensible à la force nucléaire forte	BARYON = 3 quarks=>	Proton
			Neutron
		MÉSON =>	Pion
		Quark et Antiquark
BOSON Liaison de la matière			Photon

Voir Tableau complet

PROTONS & NEUTRONS
Caractéristique	Valeur
Diamètre du neutron et du proton; distance maximum d'éloignement des quarks.	10^-15 m = 1 fermi >>>
Masse du proton Masse du neutron	1,672 62 '31' 10^-27 kg précision '10' 1,674 92 '86' 10^-27 kg précision '10'
Masse de l'électron	0,9… 10^-30 kg Le proton est 1 835 fois plus lourd que l'électron.
Masse / Énergie du proton	1 GeV 939,57 MeV – neutron 938,27 Mev – proton 1,3 MeV – écart
Durée de vie du proton Durée de vie du neutron libre (en dehors du noyau) – Mesuré en 2021.	10^30 ans 877,74 secondes (14 min et 37,74 s)

Humour

Blague anglaise: A neutron walks into a bar, and asks: how much does a drink cost? The bartender replies: For you, no charge.

Traduction: Un neutron entre dans un bar et demande: combien coûte une boisson ? The barman répond: pour vous c'est gratuit (no charge).

Voir Pensées & humour

Énergie de liaison

Énergie de liaison nucléaire et défaut de masse L'équation d'Einstein relie l'énergie et la masse : E = mc². Conversion: une masse de 1 u équivaut à une énergie de 931,5 MeV. Oups! y'a comme un défaut ! L'atome de carbone 12 a une masse de 12 u, et pourtant il contient 6 protons et 6 neutrons qui ont chacun une masse supérieure à 1 u, sans compter une petite contribution des 6 électrons. Cette masse manquante est connue sous le nom de défaut de masse et représente l'énergie de liaison du noyau. L'énergie de liaison est l'énergie dont vous auriez besoin pour diviser le noyau en protons et neutrons individuels. Son calcul: masses des protons + celles des neutrons + celles des électrons individuels – masse de l'atome; puis, convertissez cette différence de masse en énergie. Cas du carbone 12: m = 6 × 1,008664 u + 6 × 1,007276 u + 6 × 0,00054858 u – 12,000 u = 0,098931 Énergie de liaison: 0,098931 u × 931,5 MeV/u = 92,15 MeV. Différence de masse entre proton et neutron 1,293 332 36(46) MeV/c²

Voir Fundamental Physical Constants – NIST Refrence

RAYON du proton

0, 8768 femtomètre (0,8768 10^-15 m) jusqu'en 2010. 0, 8418 femtomètre (0,8418 10^-15 m): nouvelle valeur. Taille du proton, formé de trois quarks: rayon moyen de la répartition spatiale de la charge électrique. Valeur obtenue par l'équipe de François Biraben, Métrologie du laboratoire Kastler-Brossel, à Paris. Mesure de la différence entre deux états énergétiques de l'atome d'hydrogène. Le plus simple: un électron gravite autour d'un unique proton. La nouvelle mesure fait intervenir un muon gravitant autour du proton. Le muon est identique à l'électron, sauf qu'il est 207 fois plus massif. Le muon est plus proche du proton et en interaction plus forte avec lui, autorisant une mesure plus précise. En 2010, les mesures semblent conférer une taille plus petite au proton. En 2013, nous en sommes toujours là. Aucune faille théorique ni expérimentale. Faut-il chercher une nouvelle interaction particulière due au muon? Peu probable. Mais quel est le secret? En 2017, de nouvelles mesures d'écarts d'énergie entre les niveaux des noyaux de l'atome de deutérium confirment un écart avec les mesures précédentes de 4%. Le mystère reste entier.

NUCLÉONS dans l'UNIVERS
Nombre d'atomes dans l'Univers 136 x 2^256 = 1,57 10^79 » 10^80 d'après un calcul d'Arthur Eddington (fin des années 1930) Selon lui la constante de structure fine vaut 1/136. La valeur admise aujourd'hui est de 1 /137,03 et la quantité de nucléons peut être assimilée à 10^80 En fait 1,16 10^80, mais la précision n'est pas telle que l'on ait à conserver cette valeur.

Suite en Nombre d'atomes

ÉLÉMENTS STABLES
Il n'existe que 92 éléments naturellement stables. Chaque proton subit une répulsion électronique de tous les autres voisins, et celle-ci augmente avec le nombre de protons. Au-delà de 92 protons, le noyau devient instable. La quantité de protons des noyaux stables s'échelonne de 1 à 92 La quantité des neutrons est variable

MASSE / Énergie DES NUCLÉONS

L'équation d'Albert Einstein: E = mc^2 montre que l'énergie et la matière sont équivalentes, ce qui signifie que de l'énergie peut être transformée en matière et vice-versa. Selon cette équation, la masse du proton correspond à l'énergie d'une particule accélérée par un milliard de volts soit 1 GeV (Giga électron Volt). C'est pour cela que l'on dit que la masse d'un proton est juste inférieure à 1 GeV. La différence de masse entre proton et neutron (0,14%) enfin expliquée en mars 2015. Les chercheurs ont dû affiner leurs modèles* et avoir recours à du calcul intensif sur superordinateurs. * Chromodynamique quantique ou QCD pour Quantum ChromoDynamics. La différence de masse est cruciale. Une proportion légèrement différente aurait changé la nature de l'Univers Différence de masse Elle doit être supérieure à la masse de l'électron: 0,51099906 MeV Inférieure: formation abondante d'hélium, rendant impossible la formation et la survie du Soleil. Supérieure: impossibilité de réaliser la synthèse d'éléments plus lourds que l'hydrogène. Effets des quarks Les protons et les neutrons (des hadrons) sont principalement constitués de trois quarks chacun. Il faut y ajouter des gluons, les particules véhiculant la force forte, et des paires quark-antiquark qui apparaissent et disparaissent en permanence. Neutron: deux quarks d et un quark u Proton: un quark d et deux quarks u quark d plus lourd que quark u Effet de l'énergie cinétique Les quarks contribuent principalement à la masse par leur énergie cinétique et par leurs interactions avec les gluons, les particules qui véhiculent l'interaction forte liant les quarks entre eux (cf. équivalence énergie-masse).

Plus de détail sur l'explication de la différence de masse – Pour la Science 30/04/2015

STRUCTURE des NUCLÉONS
Le neutron, comme le proton, est formé de trois quarks. Entre ces quarks circule un flux de gluons qui assure la cohésion (la force nucléaire forte). Les quarks sont grégaires. Tout se passe comme si chaque quark était lié à un autre avec une " ficelle " de longueur maximum 10^-15 mètre (1 fermi). Il est impossible d'isoler un quark!
Pour briser une liaison gluonique, il faut y mettre une énergie considérable. La "ficelle" finit par se casser en libérant un quark. L'énergie libérée donne naissance à une paire quark – antiquark: - l'antiquark se combine au quark libéré et forme une particule (méson); - le nouveau quark se recombine aux 2 précédents et reforme le neutron. En essayant de libérer les quarks, on ne réussit qu'à créer des mésons. C'est un peu comme lorsqu'on veut isoler un pôle d'un aimant: on se retrouve avec deux aimants, mais jamais un pôle seul.

PROTON & ANTIPROTON – DURÉE de VIE

Durée de vie d'un proton: 10³⁰ ans >>>

Soit 10²⁰ fois l'Âge de l'univers!

Pour tenter d'observer la mort d'un proton, on en a rassemblé 10³³. Soit une cuve de 5 000 tonnes d'eau, placée dans une mine de sel dans l'Ohio, ceci pour éviter les rayonnements cosmiques. Malgré les expériences, on n'a pas pu voir un proton mourir. A-t-il une durée de vie encore plus grande ?

Durée moyenne de vie du proton:

> 1,5 10^10 ans	Oui	Âge de l'Univers. Sinon il n'y aurait guère d'atomes.
> 10^8 ans	Oui	Sinon l'homme serait radioactif.
> 10^30 ans	Oui	C'est ce qu'indiquent des expériences de laboratoire.
Éternel	Non	Car il fallait un supplément de matière par rapport à l'antimatière au moment du Big Bang. Sinon, l'univers serait resté symétrique. et n'aurait été composé que de lumière!

Durée de vie des antiprotons

> 3,5 mois	Études de laboratoires avec pièges à ions et anneau de stockage.
> 800 000 ans	Selon une équipe du laboratoire Fermi (Illinois), sur la base d'une étude des rayons cosmiques.
> 10^30 ans	Si elle est était égale à celle du proton.

Pourquoi cette dissymétrie ? Pourquoi pas d'antimatière dans notre monde, alors que lors du Big Bang, il y avait autant de matière et d'antimatière, selon la théorie ? Comprendre pourquoi l'antimatière a disparu est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique.

ISOTOPES

Dans la nature, il y a environ 1 000 isotopes stables de la centaine des éléments chimiques.

Les isotopes d'un élément comportent le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différents.

Élément	Protons	Neutrons	Nucléons
Hydrogène	1	0	1
		1	2*
Hélium	2	1	3
		2	4
Lithium	3	3	6
		4	7
Béryllium	4	4	8
Bore	5	5	10
		6	11

* cet isotope de l'hydrogène est le deutérium.

Voir	Quarks Ettore Majorana et les neutrons Autres pages sur les particules Nombre de masse et numéro atomique
Aussi	Atome Atomes lourds Comparaison atome et petit pois Densité des nucléons Électron Isotope Masse des particules
Diconombre	Nombre 10^-15 Nombre 10^-18
Cette page	http://villemin.gerard.free.fr/Science/PaNucleo.htm