La physique atomique et la physique nucléaire décrivent toutes deux la physique des très petits. Lorsque vous travaillez avec de si petits objets, votre intuition fondée sur votre compréhension de la mécanique classique échoue souvent. C'est le domaine de la mécanique quantique, des forces nucléaires à courte portée, du rayonnement électromagnétique et du modèle standard de la physique des particules.
Qu'est-ce que la physique atomique?

La physique atomique est la branche de la physique qui traite de la structure de l'atome, les états énergétiques associés et l'interaction de l'atome avec les particules et les champs. En revanche, la physique nucléaire se concentre spécifiquement sur ce qui se passe à l'intérieur du noyau atomique, qui est décrit plus en détail dans la section suivante.

Il y a plusieurs sujets d'étude en physique des particules. La structure de l'atome lui-même est avant tout. Les atomes sont constitués d'un noyau étroitement lié, qui contient des protons et des neutrons, et d'un nuage d'électrons diffus.

Étant donné que le noyau est généralement de l'ordre de 10 ^{-15 à 10 -14 m de diamètre, et les atomes eux-mêmes sont de l'ordre de 10 -10 m de diamètre (et la taille des électrons est négligeable), il s'avère que les atomes sont principalement des espaces vides. Bien sûr, ils ne semblent pas comme ils sont et toute la matière composée d'atomes ressemble certainement à de la substance.}

La raison pour laquelle les atomes ne semblent pas être principalement de l'espace vide est que vous êtes également composé d'atomes, et tous les atomes interagissent avec l'énergie électromagnétique. Même si votre main, qui est composée principalement d'atomes d'espace vide, s'appuie contre une table, également composée principalement d'espace vide, elle ne passe pas à travers la table en raison des forces électromagnétiques entre les atomes lorsqu'ils entrent en contact.

Le neutrino, une particule qui n'interagit pas avec la force électromagnétique, est cependant capable de traverser la plupart des matériaux atomiques pratiquement sans être détecté. En fait, 100 trillions de neutrinos traversent votre corps chaque seconde!
Classification des atomes

Les atomes sont classés par numéro atomique dans le tableau périodique. Le numéro atomique est le nombre de protons que l'atome contient dans son noyau. Ce nombre définit l'élément.

Bien qu'un élément donné ait toujours le même nombre de protons, il peut contenir différents nombres de neutrons. Différents isotopes d'un élément contiennent différents nombres de neutrons. Certains isotopes sont plus stables que d'autres (ce qui signifie moins susceptibles de se désintégrer spontanément en quelque chose d'autre), et cette stabilité dépend généralement du nombre de neutrons, c'est pourquoi, pour la plupart des éléments, la majorité des atomes ont tendance à appartenir à un isotope spécifique .

Le nombre d'électrons contenus dans un atome détermine s'il est ionisé ou chargé. Un atome neutre contient le même nombre d'électrons que les protons, mais parfois les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons et se charger. La facilité avec laquelle un atome gagne ou perd des électrons dépend de sa structure orbitale électronique.

L'atome d'hydrogène est l'atome le plus simple, ne contenant qu'un seul proton dans son noyau. Les trois isotopes les plus stables de l'hydrogène sont le protium (ne contenant pas de neutrons), le deutérium (contenant un neutron) et le tritium (contenant deux neutrons), le protium étant le plus abondant.

Différents modèles d'atomes ont été proposés sur années, conduisant au modèle actuel. Les premiers travaux ont été réalisés par Ernest Rutherford, Niels Bohr et d'autres.
Spectres d'absorption et d'émission

Comme mentionné, les atomes interagissent avec la force électromagnétique. Les protons d'un atome portent une charge positive et les électrons une charge négative. Les électrons dans l'atome peuvent absorber le rayonnement électromagnétique et atteindre un état d'énergie supérieur, ou émettre un rayonnement et passer à un état d'énergie inférieur.

Une propriété clé de cette absorption et émission de rayonnement est que les atomes absorbent et n'émettent un rayonnement qu'à des valeurs quantifiées très spécifiques. Et pour chaque type différent d'atome, ces valeurs spécifiques sont différentes.

Un gaz chaud de matière atomique émettra un rayonnement à des longueurs d'onde très spécifiques. Si la lumière provenant de ce gaz passe à travers un spectroscope, qui diffuse la lumière dans un spectre par longueur d'onde (comme un arc-en-ciel), des raies d'émission distinctes apparaîtront. L'ensemble des lignes d'émission provenant du gaz peut être lu presque comme un code à barres vous indiquant exactement quels atomes sont dans le gaz.

De même, si un spectre continu de lumière est incident sur un gaz froid et que la lumière qui passe à travers ce gaz est ensuite passé à travers un spectroscope, vous verriez un spectre continu avec des espaces sombres aux longueurs d'onde spécifiques que le gaz a absorbées. Ce spectre d'absorption ressemblera à l'inverse du spectre d'émission, les lignes sombres apparaissant là où se trouvaient les lignes lumineuses pour le même gaz. En tant que tel, il peut également être lu comme un code-barres vous indiquant la composition du gaz. Les astronomes l'utilisent tout le temps pour déterminer la composition des matériaux dans l'espace.
Qu'est-ce que la physique nucléaire?

La physique nucléaire se concentre sur le noyau atomique, les réactions nucléaires et l'interaction du noyau avec d'autres particules. Il explore la désintégration radioactive, la fusion et la fission nucléaires et l'énergie de liaison, entre autres sujets.

Le noyau contient un amas de protons et de neutrons étroitement liés. Cependant, ce ne sont pas des particules fondamentales. Les protons et les neutrons sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks
.

Les quarks sont des particules à charge fractionnelle et aux noms quelque peu stupides. Ils viennent dans six soi-disant saveurs: haut, bas, haut, bas, étrange et charme. Un neutron est composé de deux quarks down et d'un quark up, et un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down. Les quarks de chaque nucléon sont étroitement liés par la force nucléaire forte.

La force nucléaire forte est médiée par des particules appelées gluons
. Sentez-vous un thème? Les scientifiques ont eu beaucoup de plaisir à nommer ces particules! Les gluons, bien sûr, «collent» les quarks ensemble. La force nucléaire puissante n'agit qu'à très courte distance - à une distance comparable au diamètre du noyau de taille moyenne.
Énergie de liaison

Chaque neutron isolé a une masse de 1,6749275 × 10 ^{-27 kg, et chaque proton isolé a une masse de 1,6726219 × 10 -27 kg; cependant, lorsqu'ils sont liés ensemble dans un noyau atomique, la masse atomique n'est pas la somme de ses parties constituantes en raison de ce qu'on appelle l'énergie de liaison.}

En devenant étroitement liés, les nucléons atteignent un état d'énergie inférieur en raison de une partie de la masse totale qu'ils avaient sous forme de particules individuelles converties en énergie. Cette différence de masse qui est convertie en énergie est appelée énergie de liaison du noyau. La relation qui décrit la quantité d'énergie correspondant à une quantité donnée de masse est la célèbre équation E \u003d mc ^{2
d'Einstein où m
est la masse, c
est la vitesse de la lumière et E
est l'énergie.}

Un concept connexe est l'énergie de liaison par nucléon, qui est l'énergie de liaison totale d'un noyau en moyenne sur ses parties constituantes. L'énergie de liaison par nucléon est un bon indicateur de la stabilité d'un noyau. Une faible énergie de liaison par nucléon indique qu'un état plus favorable d'énergie totale inférieure pourrait exister pour ce noyau particulier, ce qui signifie qu'il voudra probablement se séparer ou fusionner avec un autre noyau dans les conditions appropriées.

En général , les noyaux plus légers que les noyaux de fer ont tendance à atteindre des états d'énergie inférieurs et une énergie de liaison plus élevée par nucléon, en fusionnant avec d'autres noyaux, tandis que les noyaux plus lourds que le fer ont tendance à atteindre des états d'énergie inférieurs en se séparant en noyaux plus légers. Les processus par lesquels ces changements se produisent sont décrits dans la section suivante.
Fission, fusion et désintégration radioactive

L'objectif principal de la physique nucléaire est d'étudier la fission, la fusion et la désintégration des noyaux atomiques. Ces processus sont tous guidés par une notion fondamentale selon laquelle toutes les particules préfèrent des états d'énergie inférieure.

La fission se produit lorsqu'un noyau lourd se brise en noyaux plus petits. Les noyaux très lourds sont plus enclins à le faire car ils ont une énergie de liaison plus petite par nucléon. Comme vous vous en souvenez peut-être, il existe quelques forces régissant ce qui se passe dans un noyau atomique. La force nucléaire forte lie étroitement les nucléons ensemble, mais c'est une force à très courte portée. Donc, pour les très gros noyaux, c'est moins efficace.

Les protons chargés positivement dans le noyau se repoussent également par la force électromagnétique. Cette répulsion doit être surmontée par la force nucléaire puissante et peut également être médiée par la présence de suffisamment de neutrons. Mais plus le noyau est grand, moins l'équilibre des forces est favorable à la stabilité.

Par conséquent, les noyaux plus gros ont tendance à vouloir se séparer soit par des processus de désintégration radioactive, soit par des réactions de fission telles que celles qui se produisent dans les réacteurs nucléaires ou bombes à fission.

La fusion se produit lorsque deux noyaux plus légers atteignent un état énergétique plus favorable en se combinant en un noyau plus lourd. Cependant, pour que la fission se produise, les noyaux en question doivent se rapprocher suffisamment pour que la force nucléaire puissante puisse prendre le relais. Cela signifie qu'ils doivent se déplacer assez rapidement pour pouvoir surmonter la répulsion électrique.

Les noyaux se déplacent rapidement à des températures extrêmes, cette condition est donc souvent requise. C'est ainsi que la fusion nucléaire peut avoir lieu dans le cœur extrêmement chaud du soleil. À ce jour, les scientifiques tentent toujours de trouver un moyen de provoquer la fusion à froid, c'est-à-dire la fusion à des températures plus basses. Puisque l'énergie est libérée dans le processus de fusion et ne laisse pas de déchets radioactifs comme les réacteurs à fission ont tendance à le faire, ce serait une ressource énergétique incroyable si elle était atteinte.

La désintégration radioactive est un moyen commun par lequel les noyaux subissent des changements pour devenir plus stable. Il existe trois principaux types de désintégration: la désintégration alpha, la désintégration bêta et la désintégration gamma.

Dans la désintégration alpha, un noyau radioactif libère une particule alpha (un noyau d'hélium-4) et devient ainsi plus stable. La désintégration bêta existe en quelques variétés, mais résulte essentiellement d'un neutron qui devient un proton ou d'un proton qui devient un neutron et libère un β ^{-
ou β +
particule (un électron ou un positron). La décroissance gamma se produit lorsqu'un noyau dans un état excité libère de l'énergie sous forme de rayons gamma, mais maintient son nombre total de neutrons et de protons.
Le modèle standard de la physique des particules}

L'étude de la physique nucléaire s'étend dans le domaine plus large de la physique des particules, qui vise à comprendre le fonctionnement de toutes les particules fondamentales. Le modèle standard classe les particules en fermions et bosons, puis classe les fermions en quarks et leptons, et les bosons en jauges et bosons scalaires.

Les bosons n'obéissent pas aux lois de conservation des nombres, mais les fermions le font. Il existe également une loi de conservation pour les nombres de leptons et de quarks en plus des autres quantités conservées. Les interactions des particules fondamentales sont médiées par les bosons porteurs d'énergie.
Applications de la physique nucléaire et de la physique atomique

Les applications de la physique nucléaire et atomique sont nombreuses. Les réacteurs nucléaires des centrales nucléaires créent de l'énergie propre en exploitant l'énergie libérée pendant les processus de fission. La médecine nucléaire utilise des isotopes radioactifs pour l'imagerie. Les astrophysiciens utilisent la spectroscopie pour déterminer la composition des nébuleuses éloignées. L'imagerie par résonance magnétique permet aux médecins de créer des images détaillées de l'intérieur de leurs patients. Même la technologie des rayons X utilise la physique nucléaire.