Esquisse de la structure de la matière.
Nous savons que la matière est composée d’atomes, le plus souvent associés en molécules, soit avec eux-mêmes (corps simples), soit avec des atomes différents (corps composés). Bohr nous a donné un modèle d’atome, toujours valable avec les aménagements de la mécanique quantique.
Nous savons que presque toute la masse est concentrée dans le noyau et que celui-ci est composé de protons et de neutrons.
Il semble bien que les électrons qui entourent le noyau soient des particules élémentaires . Mais est-ce le cas pour les protons et les neutrons ? On l’a cru longtemps, puis le doute s’est installé.
En 1967, Bjorken et Feynman émirent l’hypothèse des quarks, particules élémentaires porteuses de charges électriques fractionnaires, ce qui était assez révolutionnaire. Les nucléons seraient formés du groupement 3 par 3 de deux espèces de quarks : le quark up (u) portant une charge +2/3 e et le quark down (d) portant la charge -1/3 e, e étant la valeur absolue de la charge de l’électron.
Le proton résulte du groupement 2u+d (+2/3 e +2/3 e -1/3 e = +e) et le neutron résulte du groupement 2d+u (-1/3 e -1/3 e +2/3 e = 0).
Quatre particules élémentaires décrivent entièrement la matière : les deux quarks up et down et deux leptons, l’un chargé, l’électron et l’autre non chargé, le neutrino qu’on qualifie " électronique ", nous allons voir pourquoi.
Il existe en effet deux autres familles composées également chacune de deux quarks et de deux leptons, l’un chargé et l’autre non, qui décrivent des particules provenant des rayons cosmiques ou engendrées dans les grands collisionneurs. Ces particules sont instables.
La première famille comprend le quark strange (s), le quark charm (c), le muon (sorte d’électron lourd) et le neutrino muonique.
La deuxième comprend le quark beauty (ou bottom, ce qui est moins poétique) (b), le quark top (t), le tauon ou tau (sorte d’électron super-lourd) et le neutrino du tau.
On n’a jamais pu isoler un quark ; les collisions les plus violentes sont impuissantes devant la force énorme qui les unit dans les nucléons. On postule leur existence parce que cette théorie a permis des prédictions qui ont été vérifiées expérimentalement avec une grande exactitude.
On peut remarquer que les atomes (et donc la matière, même la plus compacte et la plus dense) sont essentiellement du vide : le volume des électrons et des nucléons est extrêmement faible par rapport au volume de l’atome.
Les quatre forces
L’Univers est régi par quatre forces ; les physiciens préfèrent parler d’interactions. Ces interactions, selon la théorie, s’exercent par échange de particules de la classe des bosons.
Ce sont :
L’interaction nucléaire forte (bosons vecteurs : les gluons), qui rassemble les quarks dans les nucléons et les nucléons dans les noyaux.
L’interaction nucléaire faible (bosons vecteurs : les W+, W- et Z zéro), qui intervient notamment dans la radioactivité bêta.
L’interaction électromagnétique (boson vecteur : le photon), qui rassemble les électrons autour des noyaux pour former les atomes et assure la cohésion des atomes entre eux.
La gravité (bosons vecteurs hypothétiques, non observés jusqu’à présent : les gravitons), qui structure l’Univers à grande échelle.
Ces quatre forces sont d’intensité et de portée très différentes. Si nous prenons pour unité la gravité, dont le rayon d’action est illimité, la force électromagnétique, de rayon d’action également illimité, serait cotée 7 * 10^36.
Les forces nucléaires faible et forte, dont les rayons d’action ne dépassent pas les dimensions du noyau, seraient cotées 10^26 et 10^39. ( L’Astronomie et son histoire p.199 ).
Un des grands challenges des savants contemporains est l’unification de ces forces dans une théorie unique, sans succès décisif jusqu’à présent
Fission et Fusion nucléaires.
Des mesures très fines des masses atomiques d’isotopes purs ont montré que la masse d’un noyau était légèrement inférieure à la somme des masses des nucléons qui le composent. Ce " défaut de masse " correspond à l’énergie de formation du noyau (relation d’Einstein e = m*c^2). Il est nul pour l’Hydrogène (noyau d’un seul proton) et maximal pour des éléments de masse atomique moyenne, en particulier le Fer et les éléments voisins, puis il redescend lorsque les atomes deviennent de plus en plus lourds.
Si donc deux atomes légers fusionnent en un atome plus lourd ou si un atome lourd se brise en deux ou plusieurs atomes plus légers (suivant que l’on se trouve à gauche ou à droite du " pic du Fer ") l’atome ou les atomes résultants auront une masse très légèrement inférieure à la masse initiale : un peu de masse aura disparu ; c’est à dire se sera transformée en énergie. Le coefficient d’équivalence étant très grand (le carré de la vitesse de la lumière), on pourra récolter beaucoup d’énergie pour un peu de masse " disparue ".
La Fusion nucléaire est un phénomène fondamental de l’Univers. C’est la fusion des éléments légers en éléments plus lourds, et, essentiellement, celle de l’Hydrogène en Hélium qui fournit l’énergie faisant rayonner les étoiles. La fusion des atomes n’est possible qu’à des températures extrêmement élevées, communiquant aux noyaux des énergies cinétiques suffisantes pour vaincre la répulsion électrostatique ; c’est pourquoi on parle de fusion thermo-nucléaire. La température régnant au cœur du Soleil, par exemple, de l’ordre de 15 millions de degrés, n’est cependant pas suffisante pour vaincre la barrière de potentiel, mais en raison d’un effet quantique dit effet tunnel une très faible proportion des noyaux parvient quand même à fusionner, ce qui fait que cette réaction n’est pas explosive, dure depuis quelques milliards d’années et en a encore autant, paraît-il, devant elle.
Ne sachant produire les températures nécessaires qu’au cours de l’explosion d’une bombe A (à fission), l’homme n’a encore pu utiliser l’immense énergie de la fusion que pour transformer des bombes A en bombes H, dont, hélas, la puissance n’a pas de limite théorique.
Si la fusion nucléaire est un phénomène naturel et essentiel, la fission semble bien avoir été imaginée par l’homme (au sens d’être humain, car c’est une femme qui en a eu, la première, une idée précise).
Lise Meitner, exilée en Suède, a suggéré à Otto Hahn et Fritz Strassmenn les recherches qui les ont amenés à réaliser, en 1938, la première fission nucléaire. Injustice notoire, seul Hahn a reçu le prix Nobel !
Ils ont constaté que, sous l’impact d’un neutron, un noyau d’Uranium 235 pouvait se fragmenter en deux noyaux plus légers, avec émission d’autres neutrons et libération d’énergie. Les divers modes de fission produisent plus de 80 atomes différents, généralement radioactifs avec des périodes très diverses.
Comme il y a émission de 2 ou 3 neutrons par atome d’Uranium fragmenté, on voit tout de suite qu’une réaction en chaîne est possible.
Cette réaction en chaîne peut être exploitée de deux manières différentes :
Ou bien l’on fait en sorte de réunir très rapidement une masse de matériau fissile supérieure à une certaine masse critique et la réaction en chaîne est explosive ; c’est le principe des bombes atomiques à fission, désignées Bombes A.
Ou bien l’on s’arrange pour garder le contrôle de la réaction, en partant de matériau fissile dilué et en disposant des absorbeurs de neutrons : c’est le principe des centrales nucléaires où la chaleur produite par la fission est convertie en électricité par des turbines à vapeur et des alternateurs.
Il ne suffit pas qu’un noyau soit lourd pour être fissile, seuls quelques isotopes présentent cette propriété. Les plus importants sont l’Uranium 235, le Plutonium 239 et le Plutonium 241.
L’Uranium 235 est présent dans l’uranium naturel, mais sa proportion est faible : 0,72% ; il faut donc enrichir l’uranium naturel par une séparation isotopique difficile (diffusion gazeuse ou ultra-cehtrifugation). C’est cet uranium enrichi qui est utilisé dans nos centrales nucléaires.
Le Plutonium, élément artificiel engendré dans les centrales nucléaires classiques, est actuellement réservé aux usages militaires, puisque les anti-nucléaires ont obtenu la fermeture et la promesse de destruction de SuperPhénix, surgénérateur à neutrons rapides qui l’utilisait.
Je reviendrai sur la production d’énergie par réactions nucléaires dans l’article suivant.