Stabilité des noyaux (tableau de Mendeleiev)

[PetiteAnne]

Bonsoir,

J'ai cherché sur le net des réponses à mes questions par rapport à la stabilité des noyaux notamment sur les isotopes et la place que ces derniers occupaient dans le tableau de Mendeleiev mais en vain
Ce qui suit est tiré de wikipédia et expose très bien la chose mais n'explique pas vraiment pourquoi il existe des règles aussi précises, il ne dit pas pourquoi on trouve de telles règles ) :

"Il existe 80 éléments chimiques ayant au moins un isotope stable, de l'hydrogène 1H au plomb 82Pb. Le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm n'ont, quant à eux, aucun isotope stable.
Le noyau d'un atome est constitué d'une part de protons qui se repoussent sous l'action de l'interaction électromagnétique (les charges électriques de même nature se repoussent) mais qui s'attirent sous l'action de l'interaction forte, et d'autre part de neutrons qui s'attirent sous l'action de l'interaction forte. Dans un noyau, la stabilité est donc assurée par l'interaction forte, et par les neutrons qui, éloignant les protons les uns des autres, diminuent l'intensité de la répulsion électromagnétique entre les protons, d'où les propriétés suivantes :
1) Pour ces centaines d'isotopes naturels, les nombres respectifs de protons et de neutrons semblent respecter certaines règles : le nombre de neutrons est à peu près égal à celui des protons pour les éléments légers ; à partir du , le nombre de neutrons devient supérieur au nombre de protons, l'excédent dépassant 50 % pour les éléments les plus lourds ;
2) Certains noyaux particulièrement stables contiennent des protons ou des neutrons (ou les deux) en nombre égal à un des « nombres magiques » suivants :
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Selon les théories actuelles, ces valeurs correspondraient à des noyaux possédant des couches complètes de neutrons ou de protons.
3) Les éléments de nombre Z impair possèdent moins d'isotopes stables que les éléments de nombre Z pair." dixit wikipédia

Je comprends bien le début de l'explication (cf. début du texte ci-dessus) mais je ne vois pas en quoi cela implique-t-il des règles aussi précises (règles que j'ai numérotées 1), 2) et 3) ). Quelqu'un pourrait-il m'expliquer, s'il vous plaît ? Ou aurait plus de précisions à donner ?

Un grand merci à vous.
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[PetiteAnne]

Pour la 3), j'ai fini par trouver mon plaisir en continuant mes recherches La réponse, pour ceux que cela intéresse, la réponse est la suivante et en plus elle est très simple :

Un deuxième effet quantique joue un rôle dans l'énergie de liaison : les nucléons ayant un spin demi-entier ont tendance à s'apparier deux à deux, pour se grouper préférentiellement en nombre pair. Ainsi, un nombre impair de neutrons ou de protons sera moins stable.


Par contre, j'ai beau chercher pour les règles 1) et 2), je ne trouve rien qui puisse justifier des règles aussi précises ... (Enfin, pour la 2), j'ai compris comment trouver ces nombres magiques, mais je ne vois pas pourquoi ça permet d'obtenir des noyaux stables).
Quelqu'un peut-il m'aider ?
Merci.

[PetiteAnne]

En continuant encore mes recherches, non seulement je n'ai toujours pas compris d'où venait les règles 1) et 2) (par contre la 3) cf. message ci-dessus, j'ai trouvé ), mais en plus me voilà avec un autre problème (toujours concernant la stabilité en quelque sorte mais pour la fission nucléaire cette fois-ci alors que 1) et 2), c'était par rapport aux isotopes) :

" D'après le modèle de la goutte liquide, la fission est possible si la variation de masse entre deux noyaux issus du noyau est positive ou nulle. "

-> mais quand est-ce que cela pourrait-il s'avérer négatif ? Y a toujours moyen de faire la masse du noyau le plus lourd moins la masse du noyau le plus léger, non ? Donc, c'est d'office toujours positif ou nul ?

Ensuite, il est dit que :
"Cette condition est vraie si , ce qui correspond à la région du zirconium. Au delà du rapport , le noyau est instable et fissionne spontanément. "

-> mais qu'est-ce qui justifie cela ?

Encore une fois, je suis preneuse de toutes informations, de toute aide, parce que je ne vois vraiment pas, et cela, malgré pas mal de temps à chercher ...
Encore merci par avance.

[GrisBleu]

Bonjour

Peut etre que cette page t'aidera
http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_drop_model
A Bientot

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite07941352]

Bonjour,

Pour la fission , c'est sans équivoque , j'ai l'impression que vous oubliez qu'il y a 2 produits formés .
Pour le reste , je ne pense pas que TOUT soit expliqué mais il s'agit de règles constatées ou difficiles à expliquer .
Un autre exemple qui devrait vous laissée perplexe :
Si la masse d'un noyau est plus grande que celles de ses constituants , le noyau est instable ... Oui, mais sauf exception !!!
C'est le cas de 182W que vous trouverez répertorié comme " observé stable " .

[curieuxdenature]

1) Pour ces centaines d'isotopes naturels, les nombres respectifs de protons et de neutrons semblent respecter certaines règles : le nombre de neutrons est à peu près égal à celui des protons pour les éléments légers ; à partir du , le nombre de neutrons devient supérieur au nombre de protons, l'excédent dépassant 50 % pour les éléments les plus lourds ;

2) Certains noyaux particulièrement stables contiennent des protons ou des neutrons (ou les deux) en nombre égal à un des « nombres magiques » suivants :
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Selon les théories actuelles, ces valeurs correspondraient à des noyaux possédant des couches complètes de neutrons ou de protons.

Bonjour PetiteAnne

Pour la question
1) la réponse se situe dans le fait que l'interaction forte est contrariée par la répulsion électrostatique, on a donc une attraction plus faible entre les protons.
Pourquoi on aurait plus de neutrons que de protons ?
Le modèle en couches du noyau (un peu similaire à celui des électrons externes) propose un remplissage des couches par couples de protons et par couples de neutrons, sans entrer dans le détail ici, c'est intuitif de visualiser qu'une série de couches de plus en plus haute de protons d'un côté et de neutrons de l'autre, ne va pas donner la même hauteur de pile.
La pile de protons sera plus espacée, donc moins de protons que de neutrons pour remplir le puits de potentiel du noyau.

2) Voir le schéma pour comprendre en plus les nombres magiques.


Sur le schéma on vit la dénivellation qui permet au niveau énergétique de la 'couche' de neutrons de rattraper celle de protons. (ce n'est pas à l’échelle, c'est juste pour exagérer le phénomène)

sans perdre de vue que c'est un modèle, et que ça n'explique pas tout...

[PetiteAnne]

Mille mercis à vous, curieuxdenature !

Tu m'as beaucoup éclairée !

J'ai juste encore 2 petites questions :

- pourquoi dans la règle 1) c'est seulement à partir du qu'il commence à avoir plus de neutrons et pas avant dans les noyaux atomiques ?

- sur votre schéma (merci de l'avoir fait, c'est très clair comme cela ! ), il y a juste ce qui est écrit en vert tout à droite que je ne comprends pas (0+,1-,2+,3-) ? Cela correspond à quoi ?

[PetiteAnne]

Bonjour,

Pour la fission , c'est sans équivoque , j'ai l'impression que vous oubliez qu'il y a 2 produits formés .
Pour le reste , je ne pense pas que TOUT soit expliqué mais il s'agit de règles constatées ou difficiles à expliquer .
Un autre exemple qui devrait vous laissée perplexe :
Si la masse d'un noyau est plus grande que celles de ses constituants , le noyau est instable ... Oui, mais sauf exception !!!
C'est le cas de 182W que vous trouverez répertorié comme " observé stable " .

Pour la fission, en fait, je ne vois pas dans quels cas il est possible d'avoir que la masse du noyau initial qu'on fissionne soit inférieure ou égale à la somme de la masse des 2 noyaux produits de cette fission ? Quels atomes auraient une telle "propriété" (celle d'être infissile pour cette raison) ?

[invite07941352]

Re,
Mais justement, ce n'est pas possible - tant que vous n'avez pas un exemple qui montrerait le contraire .

[PetiteAnne]

Pour la fission, en fait, je ne vois pas dans quels cas il est possible d'avoir que la masse du noyau initial qu'on fissionne soit inférieure ou égale à la somme de la masse des 2 noyaux produits de cette fission ? Quels atomes auraient une telle "propriété" (celle d'être infissile pour cette raison) ?

A catmandou : il s'agit de la définition des atomes non fissibles, et des atomes non fissibles, y en a plein, mais je ne vois pas comment ça se fait que ces derniers ont une masse plus petite que la somme des masses qu'auraient leurs produits de fission si la fission était rendue possible pour de tels atomes ? D'où je trouve ça bizarre ...

[invite07941352]

Re,
J'ai du mal à suivre . Pourquoi parler des atomes non fissiles ? Parlons donc des atomes stables - ce qui revient au même ?

Alors, pour les atomes stables , leur masse est inférieure à la somme des masses des nucléons libres qui les constituent et cette différence est l'énergie de liaison .
...Mais , sauf exception , donnée par exemple en post 5 .

[curieuxdenature]

- pourquoi dans la règle 1) c'est seulement à partir du qu'il commence à avoir plus de neutrons et pas avant dans les noyaux atomiques ?

- sur votre schéma (merci de l'avoir fait, c'est très clair comme cela ! ), il y a juste ce qui est écrit en vert tout à droite que je ne comprends pas (0+,1-,2+,3-) ? Cela correspond à quoi ?

1) Ce n'est pas aussi tranché, regarde les isotopes de tous les éléments tu verras que dès le premier, le deutérium, il y a des noyaux stables avec plus de neutrons que de protons.
Idem pour l'aluminium, 13 protons 14 neutrons, etc..

2) en verts sur le diagramme, c'est le nombre quantique orbital l, il permet de situer la parité du noyau et son moment angulaire.
Tu as surement remarqué le nombre associé aux isotopes d'un élément, du genre J = 0+, 1/2-, ou 3+ par exemple, et bien J est fonction de ce nombre.
Je ne rentre pas dans le détail, c'est assez hard.

[PetiteAnne]

Tout d'abord, merci à vous curieuxdenature et catmandou pour m'avoir mieux expliqué la stabilité du noyaux et m'avoir bien montré qu'il s'agissait plus de tendance et d'approximations plutôt que des règles très précises
Sinon pour les notations avec le nombre quantique orbitale et la parité, et bien je connais mais sur le moment, lorsque j'ai vu votre dessin, ça ne m'a pas fait tild, désolée. Les notations dans le cours où on voyait cela n'étaient pas les même non plus, la convention était différente mais bien sûr on avait bien ce que vous avez dessinez Merci d'avoir pris le temps de faire ce dessin d'ailleurs. C'est assez démonstratif comme ça et on comprend plus vite

J'aurai quand même encore une petite question car plus je lis la phrase que j'ai réécrite dans mes premiers messages, moins je suis sûre de bien la comprendre :
" Un effet quantique joue un rôle dans l'énergie de liaison : les nucléons ayant un spin demi-entier ont tendance à s'apparier deux à deux, pour se grouper préférentiellement en nombre pair. Ainsi, un nombre impair de neutrons ou de protons sera moins stable."
Comment cet appariement 2 à 2 peut-il exactement "procéder" pour faire en sorte de minimiser le puit d'énergie pour la stabilité des noyaux atomiques ? Et surtout pourquoi au fond deux spins différents pour deux nucléons permet-il une meilleure stabilité ?
Intuitivement, je me dis ok, ça me semble logique mais finalement en y réfléchissant plus encore, je me pose bien des questions là-dessus ... Si je devais expliquer pourquoi les nucléons ayant un spin demi-entier ont tendance à s'apparier deux à deux, pour se grouper préférentiellement en nombre pair, je ne pourrais pas répondre honnêtement

[curieuxdenature]

Comment cet appariement 2 à 2 peut-il exactement "procéder" pour faire en sorte de minimiser le puit d'énergie pour la stabilité des noyaux atomiques ?
Et surtout pourquoi au fond deux spins différents pour deux nucléons permet-il une meilleure stabilité ?

Bonjour PetiteAnne

Les nucléons et les électrons ont le même sort, de même qu'une orbitale '1s' n'admet que deux électrons de spins opposés, une couche '1s' du noyau ne peut être occupée que par deux protons et deux neutrons (une couche '1s' pour chaque groupe).

Sur la double couche nucléaire '1p' on n'aura pas plus de 4+2 protons et 4+2 neutrons, c'est un peu similaire aux règles de Hund pour les OA.
Similaires mais pas identiques, pas non plus avec les mêmes noms, la double '1p' n'existe pas en OA (après la couche '1s' c'est une seule '2p')...

Le résultat, en s'associant deux à deux de cette façon c'est l'énergie minimum, ce qui implique, quand une couche n'est pas complète d'avoir des orientations de spins différentes, comme pour les OA, et on aura aussi le même genre d'états excités avec une variété de combinaisons possibles encore plus riche.

[curieuxdenature]

je viens de me rendre compte que je n'ai pas répondu au pourquoi mais au parce que.
Le pourquoi est à voir du côté du principe d'exclusion de Pauli, les nucléons comme les électrons obéissent à cette règle, contrairement aux bosons qui peuvent s'entasser à la pelle dans le même trou. En couple ils ressemblent à un boson.

[FitzHerak]

Bonjour,

Comment se fait-il que sur le schéma, les niveaux énergétiques du proton sont plus espacés que les niveaux énergétiques du neutron ?
L'énergie du proton (938,272 MeV) étant plus faible que celle du neutron (939,5654 MeV), j'aurais pensé l'inverse intuitivement, non ?

[invite07941352]

Bonjour,
Vous pouvez donner le lien du schéma ? Merci .

[FitzHerak]

http://forums.futura-sciences.com/at...eiev-noyau.jpg