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UNIVERSITÉ DESHERBROOKE
Un siècle de physique nucléaire
David Sénéchal Département de physique
Faculté des sciences Université de Sherbrooke
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UNIVERSITÉ DESHERBROOKE
Les atomes
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• Il n’y a que des atomes et du vide• Tous les atomes sont différents• Les éléments n’existent pas
Démocrite d’Abdère(-460/-370) Empédocle d’Agrigente (-490/-430)
• Les atomes n’existent pas• La matière est continue et formée
d’un mélange de quatre éléments:
terre, eau, air, feu
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La théorie atomique de Dalton
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John Dalton (1766/1844)
• Un type d’atome pour chaque élément• Tous les atomes d’un même élément sont
identiques• Les composés chimiques sont faits de
molécules : associations d’atomes
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L’électron
•1876 : rayons cathodiques (Goldstein, Plücker, HiJorf)
•1895 : Jean Perrin montre que ce sont des parPcules chargées négaPvement, en observant la déviaPon par un champ magnéPque
•1896 : Wiechert montre qu’elles sont des milliers de fois moins massives qu’un atome
•1897 : Thomson les dévie par un champ électrique. Émet l’hypothèse qu’ils sont partout dans les atomes (plum pudding)
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Jean Perrin (1870/1942)
J.J. Thomson (1856/1940)
Nob
el 1
906
Nob
el 1
926
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Le modèle du Plum Pouding
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tube à rayons cathodiques = télévision !
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La radioacPvité
•Becquerel découvre (1896) des rayons nouveaux, émis par tous les composés de l’Uranium. Il appelle le phénomène radioac.vité
•Les Curie étudient la radioacPvité des minerais bruts d’uranium et découvrent deux éléments nouveaux, très radioacPfs: le polonium et le radium
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Henri Becquerel (1852/1908)
Marie Curie(1867/1934)
Pierre Curie(1859/1906)
plaque photographique révélée par Becquerel
Nob
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903
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La période, ou demi-‐vie
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alpha, bêta, gamma
•1898 : Rutherford disPngue les rayons α (lourds et posiPfs) et les rayons β (légers et négaPfs) émanant des sources radioacPves
•Villard ajoute les rayons γ (neutres)
•α : noyaux d’héliumβ : électronsγ : photons d’énergie élevée
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α
β
γ
Ernest Rutherford(1871/1937)
Nob
el 1
908
pavillon MacDonald-Stewart, McGill
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Il faut se tourner la langue 7 fois…
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he energy produced by the atom is a very poor kind of thing. Anyone who expects a source of power from the transformation of these atoms is talking moonshine… – E. Rutherford, 1933
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Les rayons cosmiques
•1911 : Victor Hess découvre les rayons cosmiques
•Des ascensions en ballon (souvent habités) sont nécessaires à leur étude
•A. Piccard bat le record : alt. 16 km en 1931
•Maximum d’acPvité en haute atmosphère: cascades causées par des “primaires” de très haute énergie • record observé : 3.1020 eV ! soit 100 millions de fois plus que le LHC !
•Origine : événements extrêmes dans l’univers, supernovas, etc. Encore largement un mystère.
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Victor Hess et son ballon
Auguste Piccard (1884/1962)(alias Tryphon Tournesol)
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Parenthèse: les unités de base
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•Longueur: 1 fermi = 1 femtomètre = 10-‐15 m = 1 millionième de milliardième de mètre
•Énergie: 1 MeV = 106 eV = 1.6 × 10-‐13 Joule • 1 kWh = 2.246 × 1025 eV • combusPon: 1 molécule de méthane = 8.4 eV
•Masse: énergie/c2 car E = mc2
• électron = 0,511 MeV = 511 keV • proton: 938 MeV = 1 840 électrons
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Échelles de longueur
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1911 : La découverte du noyau...
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Hans Geiger(1882-1945)
Ernest Marsden(1889-1970)
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sous la supervision de Rutherford...
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Rutherford
Geiger
... à l’Université de Manchester(et non à McGill comme on le dit souvent)
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Modèle nucléaire de l’atome
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
champelectrique
distance au centre
•Les parPcules alpha sont parfois fortement déviées
•CeJe déviaPon n’est pas causée par les électrons (trop légers)
•Cela entraîne que la masse de l’atome est concentrée dans un noyau de rayon < 10-‐14 mcar un champ électrique élevée est requis pour dévier fortement les parPcules α
champ électrique de sphères chargées de rayons différents
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Le modèle nucléaire de l’atome
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10–10 m
10–15 m
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parenthèse: la diffracPon
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La diffraction d’un onde par un objet nousrenseigne sur la forme de cet objet
objet mathématique pertinent: la transformée de Fourier
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La diffusion et la microscopie
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qb
pi
pf q
✓
|p| = h
�
Mesurer la probabilité de diffusionen fonction de l’angle nous renseignesur la forme de l’objet diffuseur
(la transformée de Fourier de la densité e/f de q)
transfert de quantitéde mouvement
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1 fm = 10-15 m
densité de charge vs distance
prob. de collisionvs transfert de
quantité de mouv.
La forme du noyau
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Diffusion d’électrons de 450 MeV sur du 58Ni
Sick et al., Phys. Rev. Lett. 35, 910 (1975).
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Les isotopes
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•Soddy : les éléments radioacPfs se transforment en d’autres éléments
•En 1913, il propose l’existence d’isotopes : plusieurs variétés d’atomes ayant des poids atomiques différents pour un même élément
•Aston invente le spectromètre de masse, sépare les différents isotopes et conclut que la masse atomique d’un isotope est un mulPple enPer de celle de l’hydrogène.
Frederick Soddy (1877/1956)
Francis William Aston(1877/1945)
Nob
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922
Nob
el 1
921
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ApplicaPon: l’âge de la Terre
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6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
Pb 206
U 238
U 235
Pb 204 (tout primordial)
Pb 207
primordial
radiogène
primordial
radiogène
3,93,01
18,5
1,0
10,0
15,6
0,0725
âge de la Terretemps, en millions d'années avant le présent
}}
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Qu’y a-‐t-‐il dans le noyau ?
•1917 : Rutherford réalise la première réac.on nucléaire
•Il conclut que le noyau d’hydrogène est contenu dans tous les noyaux et consPtue une parPcule fondamentale qu’il appelle proton.
•Premier modèle: le noyau est formé de A protons et de (A–Z) électrons
•Raisonnable étant donné la désintégraPon bêta
•Mais ceci est incompaPble avec le principe d’incer.tude de Heisenberg (1926) : un électron confiné dans l’espace du noyau aurait une énergie trop grande pour y rester!
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42He + 14
7N! 178O + 1
1H
~c = 197MeV.fm
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La révoluPon: le neutron
•Les expériences de bombardement par des rayons α produisent parfois des rayons très pénétrants, durs à détecter
•Chadwick (1932) propose qu’il s’agit d’une parPcule neutre, un peu plus massive que le proton : le neutron
•La structure du noyau se clarifie : Z protons et N=A-‐Z neutrons. Les différents isotopes comportent des nombres différents de neutrons.
•Le neutron isolé est instable (demi-‐vie ~ 15 min.) mais il est stabilisé au sein des noyaux stables
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James Chadwick(1891/1974)
Nob
el 1
935
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NotaPon
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SyAZ
nombre de masse(A=N+Z)
numéro atomiquenombre de protons
symbole chimique
nombre de neutrons
23892U
23592U
23994Pu
42He
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Carte des nucléides
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Puiser l’énergie du noyau
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Leo Szilard (1898/1964)
0 50 100 150 200 250nombre de masse A
4 He 56Fe12C 16O
éner
gie
de li
aiso
n pa
r nuc
léon
B(A
,Z)/A
� =Zmp + (A� Z)mn �M
A
Masse du noyau
Masse du proton Masse du neutron
défaut de masse
E = mc2
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Un roman prophéPque
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H.G. Wells (1866/1946)
Certainly it seems now that nothing could have been more obvious to the people of the earlier twentieth century than the rapidity with which war was becoming impossible. And as certainly they did not see it. They did not see it until the atomic bombs burst in their fumbling hands [...] All through the nineteenth and twentieth centuries the amount of energy that men were able to command was continually increasing. Applied to warfare that meant that the power to inflict a blow, the power to destroy, was continually increasing [...]Destruction was becoming so facile that any little body of malcontents could use it [...]Before the last war began it was a matter of common knowledge that a man could carry about in a handbag an amount of latent energy sufficient to wreck half a city.
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La fission nucléaire
•Certains nucléides peuvent fissioner après avoir absorbé un neutron
• Ils sont qualifiés de fissiles: 235U, 239Pu, 233U
•Découvert par Hahn & Strassmann à Berlin (1938)
•Émission de neutrons secondaires (Joliot, Halban et Kowarski)
•Possibilité donc de réac.on en chaîne
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Nob
el 1
944
Nob
el 1
935Jo
liot
von
Hal
ban
Kow
arsk
i
Hah
nSt
rass
man
n
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Les produits de la fission
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U-235
U-233 Pu-239
65%U35%Pu
80 90
90 100
110120
130140
150160
6%
4%
2%
7%
5%
3%
1%
SrZr Tc
Pd
Sn
129I
CsCs
Sm
nombre de masse A
abon
danc
e en
tant
que
pro
duit
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une leJre célèbre...
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Le premier réacteur nucléaire
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Enrico Fermi (1901/1954)
Nob
el 1
938
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Le projet ManhaJan
•1943-‐1945 : FabricaPon d’une bombe atomique (course contre l’Allemagne)
•Beaucoup de scienPfiques des pays alliés se consacrent à un travail essenPellement appliqué
•La responsabilité des scienPfiques est mise en quesPon après les bombardements
•L’imaginaPon populaire est frappée par les possibilités de la science (et de la physique nucléaire en parPculier)
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l’essai Trinity
130,000 personnescoût : 2 G$ (= 26 G$ de 2013)
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SéparaPon isotopique
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Usine d’Oak Ridge TN diffusion gazeuse centrifugeuses
• généraPon 1 : spectromètre de masse (calutron) • généraPon 2 : diffusion gazeuse • généraPon 3 : centrifugeuses • généraPon 4 : par laser infrarouge
Comment extraire le 235U (fissile, 0,7% de l’U naturel) ?
taux d’e↵usion / 1pm
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La filière au plutonium
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23892U+ n �! 239
92U+ �
23992U
34m�! 23993Np + e� + ⌫e
23993Np
81j�! 23994Pu + e� + ⌫e
•Le plutonium 239 est un nucléide fissile, couramment uPlisé dans l’armement nucléaire
• Il est naturellement produit par bombardement de l’uranium par des neutrons
•Un réacteur à l’uranium naturel peut produire du plutonium en abondance
•Plus facilement séparable (chimiquement)
réacteur de Hanford WA
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Fat Man
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lentilles explosivesunité demise à feu
plaque d’instrumentation
enveloppe sphérique
radar
fusibles d’autodestruction
matièrefissile
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Le rêve de l’arPlleur fou...
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...ou comment faire des ronds dans l’eau.
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Le bikini original
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L’énergie des étoiles
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1939 : Hans Bethe propose le cycle de réacPons nucléaires expliquant la producPon d’énergie dans les étoiles lourdes (cycle du carbone) et les étoiles comme le soleil (proton-‐proton)
Hans Bethe (1906/2005)
p + p ! d + e+ + ⌫e + 0.42 MeV (a)p + d ! 3
2He + � + 5.49 MeV (b)32He + 3
2He ! p + p + ↵ + 12.86 MeV (c)e+ + e� ! 2� + 1.02 MeV (d)
4p + 2e� ! ↵ + 2⌫e + 26.7 MeV
interaction faible Nob
el 1
967
Ce processus est très lent en raison de lapremière réaction qui a une très faibleprobabilité. Ne peut être utilisé sur Terre
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La nucléogenèse
41http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Pagel/Pagel1_3.html
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La fusion nuclaire sur Terre
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d+ d ! 32He + n+ 3.27MeV
d+ d ! t+ p+ 4.03MeV
d+ t ! 42He + n+ 17.6MeV
t+ t ! 42He + n+ n+ 11.27MeV
63Li + n ! 4
2He + t+ 4.79MeV
d+ 32He !
42He + p+ 18.35MeV
deutéron
triton
2H
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la superbombe (ou bombe H)
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Edward Teller (1908/2003)
Stanislas Ulam(1909/1984)
Le test “Castle-Bravo”, 1er mars 195415 mégatonnes (1000 x Hiroshima)
Champignon de 30 km de hautRetombées nocives sur les îles Marshall
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On commence à exagérer...
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Castle Bravo : 15 Mt = 1200 x Hiroshima
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...et les Russes ne sont pas en reste.
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Tsar Bomba: 50 Mt = 4000 x Hiroshima
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L’énergie nucléaire
46http://lenergeek.com/2012/04/10/quest-ce-que-larret-a-froid-dun-reacteur-nucleaire/
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L’énergie nucléaire aujourd’hui
47http://goldstocktrades.com/blog/2012/10/11/uranium-miners-hitting-a-major-bottom-nuclear-set-to-rebound-in-2013/
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ProducPon d’uranium dans le monde
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La radiophobie
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Many experiments have shown the effects of low dose radiation.
Damage induction/ Enhancement
Damage reduction/ Suppression
No significant biological effects
Na
tura
l b
ac
kg
rou
nd
ra
dia
tio
n102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102
Dose rate (Gy/hr)
Unaffected area
Biologically effective area
Harmful effects area
Do
se
(G
y)
50yr
1yr
Shedding Light on the Effects ofLow Dose Radiation
1. Uncertainty of Low Dose Radiation Effects2. Low Dose Radiation Effects3. Mapping Experimental Results
Brief Note: Kazuo Sakai, Senior Research Scientist, Low Dose RadiationResearch Center, Nuclear Technology Research Laboratory
source : Kazuo Sakai, Central Research Institute for the Electric Power Industry, Japon
•L’hypothèse linéaire sans seuil (LNT) est difficilement défendable
•Le dommage biologique dépend énormément du taux d’exposiPon et non de la dose totale
•Des effets bénéfiques à faible dose seraient peut-‐être même possibles (hormèse) … mais cela demeure controversé!
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Le thorium : l’énergie du futur ?
•La filière repose sur le thorium naturel (+ abondant que l’uranium). Réserves suffisantes pour des milliers d’années d’opéraPon.
•Meilleure économie des neutrons: réacteur plus compact
•Moins de déchets sont produits, en parPculier moins de déchets à longue période: gesPon des résidus plus simple
•Possibilité d’un combusPble liquide: réacteur plus sécuritaire
•MAIS : technologie + complexe. Plusieurs décennies de développement...
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23290Th + n �! 233
90Th + �
23390Th
32m�! 23391Pa + e� + ⌫e
23391Pa
39j�! 23392U+ e� + ⌫e
nucléide fertile
nucléide fissile
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Éléments transuraniens et îlot de stabilité
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La quête du unbihexium ou élément 126 310Ubh (N=184, Z=126)Sa demi-vie pourrait excéder la seconde, voir des millions d’années...
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Finis
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