mercredi 22 avril 2009
Bases de la physique nucléaire
TEXTE PROVISOIRE et partiel
Faits expérimentaux importants
1. Moments magnétiques : Les moments magnétiques des noyaux varient entre -2μN et +15μN. Comme le neutron a un moment magnétique, il contient des charges électriques de somme nulle. Les moments magnétiques du proton et du neutron, opposés dans le deutéron, sont deux mille fois plus petits que le magnéton de Bohr, μB, celui de l'électron, c'est-à-dire à peu près dans le rapport des masses. L'hélium 4 n'a pas de moment magnétique. Les isotopes 16O, 40Ca et 208Pb sont réputés avoir un moment magnétique nul car ils ont à la fois un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons. Sur la table de Raghavan, la plus complète, semble-t-il, on constate que 16O a un moment magnétique de 1,668μN où μN est le magnéton nucléaire, unité utilisée en physique nucléaire. La nullité du moment magnétique des noyaux pair-pair semble être une légende comme on peut le vérifer dans les tables. Sur la table de Stone, sur 330 noyaux dont 50 pair-pair seuls 4He,12C et 16O ont un moment magnétique nul. Le rapport du nombre de protons à celui des neutrons est, statistiquement, en valeur absolue et avec un écart-type de 1%, égal au rapport du moment magnétique du neutron à celui du proton.
2. Moments électriques : Le deutéron ou deuton (noyau de deutérium D ou hydrogène lourd ²H) a un moment quadrupolaire alors que le neutron et le proton n'auraient de moment électrique ni dipolaire ni quadrupolaire. Les noyaux ont un moment électrique quadrupolaire lorsqu'ils n'ont pas la symétrie sphérique.
La conservation de la charge électrique n'a jamais été mise en défaut. Des charges fractionnaires n'ont jamais été observées. Elles existeraient dans les quarks, inexistants à l'état libre.
Le rayon de charge d'un noyau peut être considéré en première approximation comme coïncidant avec le rayon de matière nucléaire (rayon de masse). La densité de matière (100 milliards de fois la densité de l'eau) diminue progressivement vers l'extérieur du noyau. Chez le neutron, on trouve bizarrement un rayon de charge quadratique moyen négatif! C'est d'autant plus bizarre qu'un rayon ne peut être négatif, surtout si c'est la racine carrée d'un carré… Cependant, on trouve, dans la littérature, aussi des valeurs positives, heureusement.
Les noyaux ont une masse inférieure à la somme des masses de leurs constituants, les nucléons. La différence, en toute rigueur, négative, est l'énergie de liaison totale, de l'ordre de αmc² où α =/137 est la constante de structure fine. La valeur obtenue est de 7 MeV par nucléon, pratiquement celle de l'hélium 4 et proche de la valeur moyenne des 3.000 nucléides, soit 8 MeV. Cela s'explique si on admet que l'énergie de liaison est d'origine électromagnétique.
L'énergie nécessaire pour séparer les nucléons est positive et égale en valeur absolue à l'énergie de liaison. L'énergie nécessaire pour arracher un nucléon au noyau est environ un million de fois celle nécessaire pour arracher un électron à un atome. L'énergie de liaison par nucléon de l'hélium 4 (7,1 MeV) est presque sept fois plus grande que celle du deutéron (1,1 MeV). L'énergie de liaison par nucléon (en valeur absolue) croît avec la masse du noyau, passe par un maximum puis décline. Cette croissance s'explique par le nombre de liaisons possible entre un nucléon et ses voisins. Il est de un pour le deutéron et de 6 pour ⁴He. Pour un noyau lourd où l'empilement peut être compact on aura un maximum de 12 voisins par nucléon: l'énergie de liaison pourrait atteindre plus de 12 MeV s'il n'y avait pas la répulsion coulombienne entre les protons. Les noyaux instables (radioactifs) ont généralement une énergie de liaison par nucléon inférieure à celle des noyaux stables, représentés sur la courbe.
L'énergie de liaison est proportionnelle au nombre de liens entre les nucléons qui augmente plus rapidement que la masse selon la formule A(A-1)/2 puisqu'on doit avoir 0 pour l'hydrogène et qu'on compte deux fois un même lien. L'énergie par nucléon devrait donc croître indéfiniment. Ce n'est pas le cas puisqu'elle passe par un maximum pour le fer. C'est ce qu'on appelle la saturation. Elle s'explique par le fait que la force nucléaire diminue très vite avec la distance et n'interagit qu'entre nucléons voisins. Le nombre de voisins varie de un pour le deutéron à une douzaine pour un empilement compact. Mais même pour l'hélium, on est proche de la saturation alors qu'il n'y a que six liaisons. Voir aussi une Table téléchargeable avec plus de 3000 nucléides ou directement le fichier Excel Nuclides avec les courbes de l'énergie de liaison et de la vallée de stabilité. Elle fonctionne sur Excel et est utilisable et modifiable à volonté. On peut sélectionner différentes catégories d'éléments comme les éléments stables, ceux qui ont des nombres de protons et/ou de neutrons pairs et/ou impairs… et tracer les courbes d'énergie de liaison pour ces différentes combinaisons.
Les noyaux stables (258) ont, en majorité, un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons. On explique leur plus grande stabilité par leur structure plus symétrique. Les noyaux, stables ou non, ayant le même nombre, pair, de protons et de neutrons ont les énergies de liaison les plus importantes. Sur l'ensemble des 3.000 noyaux seul un tiers est pair-pair. Il n'existe pas de noyau stable de masse atomique 5 et 8. Le noyau stable le plus lourd est le plomb 208. Les isotopes connus de l'uranium ont des masses atomiques comprises entre 217 et 240 pour un numéro atomique de 92. L'isotope le plus répandu est 238U dont la demi-vie est de 4 milliards d'années, voisine de l'âge de la Terre. Plus dense que le plomb, il le remplace dans certaines armes à feu. 235U et 233U sont utilisés dans les centrales nucléaires. Un élément synthétique, le technetium 99m, d'une demi-vie de trois jours, est utilisé en scintigraphie comme radiotraceur à des doses autour du milliard de becquerels (GBq). Le technétium 99 présent dans l’environnement provient pour une faible part (~150 à 170.1012 Bq) des retombées des essais atmosphériques. Il est présent, ainsi que son isomère 99mTc dans les effluents liquides des centrales nucléaires, des usines d’enrichissement et de retraitement et lors du stockage des déchets de haute activité.
- Radioactivité
On distingue trois sortes de radioactivité selon le rayonnement émis. Un même source radioactive ne peut émettre les trois types (α,β,γ) de radioactivité à la fois. La demi-vie d'un noyau radioactif est le temps nécessaire pour que l'émission radioactive d'un échantillon ait diminué de moitié. La radioactivité ne s'éteint jamais.
La radioactivité α (éjection de noyaux d'hélium 4 d'énergie 5 MeV à une
vitesse de l'ordre de 3% de celle de la lumière) proviendrait de ce que la
répulsion coulombienne entre les protons l'emporte sur les forces
nucléaires (interaction forte) dans les noyaux instables. Pour qu'un noyau soit radioactif α, la masse des noyaux produits doit être inférieure de 5 MeV, masse des α, à celle du noyau parent. Les particules alpha sont peu pénétrantes: elles sont arrêtées par une feuille de papier. Toutes les désintégrations α donnent naissance à des rayonnements γ.
La radioactivité β- émet des électrons, de charge électrique négative, avec un spectre d'énergie continu. Leur vitesse est légèrement inférieure à celle de la lumière. Le cobalt 60 émet un électron puis un rayon γ. Lorsqu'un noyau émet un électron négatif β- , sa charge Z augmente de une unité sans que son numéro atomique A change. La radioactivité β- (ou β+) transforme un neutron en proton (ou inversement) avec émission d'un électron négatif et d'un antineutrino (ou d'un antiélectron et d'un neutrino). Selon la théorie électrofaible, la force faible maintient liées entre elles un nucléon avec un électron et un neutrino. Elle peut être attractive ou répulsive en provoquant la transmutation d'un nucléon. Les électrons β- sont arrêtés par une feuille de métal. Les électrons positifs (appelés aussi positons, positrons ou particules β+) sont utilisés en scintigraphie médicale.
La radioactivité γ produit un spectre de raies de photons γ émis par des transitions nucléaires.Par exemple, le cobalt 60 se transmute par radioactivité β- en nickel 60 en émettant un électron et un antineutrino. Le nickel est dans un état excité qui retombe immédiatement en émettant deux rayon γ d'énergie 1,1 et 1,3 MeV. Les rayons γ, très pénétrants, sont utilisés pour radiographier les métaux.
- Stabilité des noyaux
Il y a une centaine d'éléments chimiques dans la table de Mendeleiev et plus de 3.000 noyaux (ou nuclides ou nucléides) dont 258 à 280 stables. La différence avec les éléments chimiques provient de ce que c'est le nombre de protons Z qui détermine l'élément et non le nombre de neutrons N ou le nombre de masse A. Parmi ces noyaux stables, 159 à 166 ont un nombre N de neutrons et Z de protons pair, seuls quatre (2H, 6Li, 10B, & 14N) les ont impairs. Sur les 37 noyaux N=Z, seuls 12 sont stables… sans compter les isomères (états excités), instables sauf un, ¹⁸⁰Ta. La stabilité augmenterait avec la parité du nombre de masse; mais il y a la répulsion coulombienne entre les protons chargés positivement. Une plus forte proportion de neutrons diminue la répulsion électrostatique en augmentant la distance moyenne entre les protons . Tous les noyaux ou presque ont donc plus de neutrons que de protons. La force de répulsion coulombienne entre les protons, chargés positivement, favoriserait un excès de neutrons.
Le fer de nombre de masse atomique 58 a une énergie de liaison par nucléon de 8,792 MeV. Le nickel 62, avec quatre neutrons de plus, stable, a une énergie de liaison un peu plus élevée que le fer, soit 8,795 MeV. C'est donc le nickel 62 le noyau le plus stable connu.
- Vallée de stabilité
La vallée de stabilité s'obtient en traçant le nombre de protons en fonction de celui des neutrons, chaque nucléon étant un point du graphique. On la trouvera dans le fichier Excel Nucléides. Le fond de la vallée correspondrait aux noyaux de stabilité maximale. A l'extérieur, on rencontre les noyaux radioactifs. Ils sont de deux sortes, ceux qui émettent des électrons ont plus de neutrons que les noyaux stables. Inversement, ceux qui émettent des positons ont un excédent relatif de protons. L'émission d'un électron transmute un neutron en un proton et inversement pour l'émission d'un positon. La pente de cette vallée coïncide avec le rapport des moments magnétiques du proton et du neutron et non avec N=Z comme prétendu généralement. On peut la tracer en trois dimensions Z, N, E/A.
- Nucléons
Les nucléons (proton et neutron) sont les constituants du noyau de l'atome.
Le proton a la même charge électrique que l'électron, mais de signe opposé. Sa masse est 1.840 fois plus grande que celle de l'électron. Son rayon est de 1 fm (10^-15m) soit 100.000 fois plus petit que l'atome. Il a un moment magnétique de 10^-26 J/T , environ 1.000 fois plus petit que celui de l'électron (10^-23 J/T). Avec l'électron en orbite (ou en orbitale selon la mécanique quantique) le proton constitue l'atome d'hydrogène.
Le neutron a à peu près les mêmes caractéristiques que le proton sauf que la somme de ses charges électriques est nulle. Il serait constitué d'une charge positive en son centre et d'une charge négative à l'extérieur ou d'une charge positive en sandwich entre deux charges négatives sans oublier le modèle des quarks où les charges sont ponctuelles. Le neutron a un moment magnétique égal aux 2/3 de celui du proton mais de signe opposé. La trajectoire d’un neutron n’est pas modifiée par la présence de champs électrique ou magnétique uniformes. Sa masse est supérieure à celle du proton d'environ 2,5 fois celle de l'électron. Le neutron libre, radioactif, se décompose en 10 minutes en un proton et un électron.
- Les différents types de noyaux
Légers, lourds, stables, radioactifs, exotiques, borroméens, à halos, agrégats ou amas (clusters) de particules α… (voir sur Wikipedia ou Google).
- Réactions nucléaires
Un neutron n peut se transformer en proton p selon la réaction
où apparaissent un électron négatif et un antineutrino qui a une charge nulle puisque les charges du proton et de l'électron sont nulles. Le spin est aussi conservé dans la réaction puisque les quatre particules sont des fermions de spin 1/2. L'énergie est conservée automatiquement puisque c'est ainsi qu'on a obtenu la masse du neutrino. La réaction inverse
existe aussi mais on a un électron positif ou positon et un neutrino. On a découvert le neutrino (très peu détectable pourtant) grâce à la conservation de l'énergie dans la désintégration Béta +.
L'énergie de réaction nucléaire a pour symbole Q, réminiscence probable de la chaleur de réaction chimique, autrefois exprimée en calories.
Hypothèses généralement admises et idées reçues
L'interaction nucléaire serait la même pour tous les nucléons, protons ou neutrons. Ces forces seraient les mêmes pour les paires proton-proton, proton-neutron et neutron-neutron pourvu que les particules en interaction se trouvent dans le même état quantique. Les protons seraient plus fortement liés par les forces nucléaires pour compenser la répulsion électrostatique. Ce principe n'est pas vérifié en ce qui concerne la table complète des noyaux (fichier Excel Nucléides) où on voit que la proportion de neutrons, bien que constante à 3% près, joue un rôle. En effet la "courbe" de masse devient un nuage lorsqu'on trace le graphique de tous les noyaux connus. Pour y remédier on a ajouté diverses hypothèses ad hoc.
Les protons "préfèrent" être appariés avec leurs spins opposés. De même pour les neutrons, ce qui explique le spin proche de zéro des noyaux. Le principe de Pauli est supposé "favoriser" un nombre égal de neutrons et de protons, soit une proportion de 50%. Pourtant, il y a, en moyenne, 60% de neutrons dans un noyau.
- Le deutérium ne possède qu'un état lié.
L'interaction nucléaire est définie par sa "constante" de couplage qui, bizarrement, varie en fonction de l'énergie. On considère généralement que l'interaction nucléaire a une portée faible, de l'ordre de 1 fm (femtomètre, fermi ou F), est attractive, n'interagit qu'avec ses voisins immédiats (saturation) et est indépendante de la charge électrique des nucléons (principe d'indépendance de charge). L'interaction forte ne dépend pas de l'état de spin relatif des nucléons (formalisme quantique). Mais la nature de l'interaction forte est encore inconnue. Les recherches actuelles consistent essentiellement à améliorer la forme de la courbe et à ajuster sa valeur numérique. Les nucléons seraient composés de quarks de charges fractionnaires, jamais observées. La véritable interaction forte serait l'interaction quark-quark, ce qui revient à déplacer le problème.
L'interaction nucléaire est supposée être 137 fois, mille ou même un million de fois supérieure à l'interaction électromagnétique (cela varie selon les auteurs). 1/137 est la constante de structure fine qui caractériserait l'interaction électromagnétique par rapport à l'interaction forte (je n'en ai trouvé aucune démonstration). L'énergie de liaison nucléaire s'exprime en MeV (Million d'électron-volt) alors que l'énergie chimique s'exprime en eV (électron-volt). Ce rapport entre les énergies atomique et nucléaire est dû au rapport entre la taille de l'atome, 1 Ǻ ( 0,1 nm ou 10⁻¹⁰ m), et celle du noyau, 1 fm (10⁻¹⁵m) , ce qui fait un rapport de 100.000. Cela s'explique simplement par la loi de Coulomb de l'électrostatique où le potentiel est en 1/r. L'énergie de liaison, dans un cas simple comme celui du deutérium et même de l'hélium, peut être calculée au moins approximativement, à l'aide de l'électromagnétisme. En effet le neutron, qui n'est pas si neutre que çà, contient des charges électriques et un moment magnétique, ce qu'on ignorait lorsqu'on l'a baptisé. Cette croyance persiste pourtant.
L'interaction faible est responsable de la désintégration β. Elle est définie par la constante de Fermi. Elle est portée par les bosons W (W+ et W-) et Z (Z0). Elle serait de 100.000 à 10^13 fois plus faible que l'interaction forte, variable selon les auteurs. Sa portée serait cent à mille fois plus courte que celle de l'interaction forte. L'interaction nucléaire faible a été fusionnée avec l'interaction électromagnétique sous le nom de force électrofaible.
La notion d'interaction nucléaire manque de précision.
- Mers de Dirac et de Fermi
"L'interprétation de Dirac dans laquelle le vide physique, dans une théorie relativiste, est représenté par l'ensemble des particules occupant les orbites d'énergie négative de l'équation de Dirac. Cet état est communément appelé la mer de Dirac, par opposition à la mer de Fermi qui représente les nucléons de valence d'énergie comprise entre 0 et εf. "De par sa structure, le vide physique de l'équation de Dirac est ainsi différent de celui de l'équation de Schrödinger." J.-F. Mathiot, Concept de quasi-particules. Il y aurait des mers de protons, d'électrons (et de neutrons?) d'énergies et de masses négatives selon la formule E = mc². La mer de Dirac est en fait un avatar de la théorie de l'éther.
L'existence d'antimatière de masse négative n'a jamais été prouvée mais on connaît des particules de charges électriques opposées et de mêmes masses comme l'électron et l'antiélectron ou positon. Le CERN a créé pendant moins d'une milliseconde des antiatomes comme l'antihydrogène constitué d'un antiproton et d'un antiélectron. Dans la collision d'une particule et d'une antiparticule, comme entre l'électron et le positon, masse et charge disparaissent. Leurs charges étant opposées, elles peuvent s'annuler. Leurs masses sont transformées en rayons gamma hν de telle sorte que l'énergie totale passe de E = mc2 à E=hν.
La charge baryonique est pour l'interaction forte ce que la charge électrique est pour l'interaction électromagnétique. Elle a été "construite" par analogie avec la charge électrique car l'interaction électromagnétique est interdite par hypothèse pour interpréter l'interaction nucléaire. La conservation de la charge baryonique est un postulat.
Les protons du noyaux créent un champ électrique qui repousse les protons qui s'approchent du noyau ou veulent s'en échapper: c'est la barrière de Coulomb. Le principe d'indépendance de charge est mis en défaut selon que l'on considère l'énergie cinétique nécessaire à un neutron ou à un proton pour pénétrer un noyau. En effet, le neutron, neutre électriquement, n'a pas besoin de franchir la barrière de Coulomb alors que le proton, chargé positivement, est repoussé par la charge électrique positive des protons du noyau.
Les protons étant chargés positivement, les noyaux le sont aussi. Il faut donc apporter une certaine énergie lorsqu'on veut les rapprocher, par exemple pour provoquer la fusion nucléaire. Cette barrière serait relativement faible, soit 0,1 MeV pour le combustible deutérium-tritium.
- Modèle de Yukawa
Le modèle de Yukawa est basé sur une solution de l'équation d'onde de Klein-Gordon (onde de de Broglie) associée à l'interprétation par le méson qui porte son nom. La valeur
absolue de la force correspondante n'est toutefois pas connue et doit
être ajustée pour être en accord avec les résultats expérimentaux. La portée de l'attraction (la distance à laquelle le potentiel est divisé par e, ou, comme on le fait pour la radioactivité, par 2), étant égale au rayon d'un nucléon de rayon R = 1 fm (10^-15 m), on obtient une masse m de 200 fois celle de l'électron par la formule m = hR/c où h est la constante de Planck réduite et c la vitesse de la lumière. On reconnaît la formule du rayon de Compton R=mc/h. La taille d'un noyau est donc de l'ordre de grandeur du rayon de Compton.
- Formule de masse semi-empirique de Bethe-Weizsäcker
Cette formule de l'énergie de liaison des noyaux atomiques comprend 5 termes. La première approximation est celle
qui considère que l'énergie par unité de volume est constante comme
dans une matière homogène, ce qui donne le premier terme de la formule
où l'énergie d'un noyau est proportionnelle à sa masse atomique. On
complète ensuite par des termes correctifs qu'on retranche: l'énergie
de surface, l'énergie coulombienne de répulsion électrostatique des
protons, l'énergie de symétrie plus un terme supplémentaire destiné à
tenir compte du nombre pair ou impair de protons et de neutrons.
En
assimilant la goutte nucléaire à une sphère de surface 4π r₀ A⅔, où r₀
est le rayon d'un nucléon, l'énergie de répulsion des protons s'obtient
en assimilant la distribution de charge à celle d'une sphère homogène
de densité de charge ρ = Ze/(4/3)πR³, ce qui donne l'énergie
électrostatique (Ze)²/(4πε₀R) et, pratiquement, proportionnelle à Z(Z-1). Il reste l'énergie de symétrie qui est
nulle lorsque le nombre de neutrons est égal à celui des protons (N=Z). On
admet qu'elle augmente avec le déséquilibre entre neutrons et protons:
elle sera donc quadratique, ce qui donne, à un coefficient près (N–Z)²/A. On obtient finalement l'énergie de liaison en MeV en ajustant
les coefficients des différents termes :
Sans tenir compte du dernier terme on obtient 2,5 et 5,1 MeV pour des valeurs expérimentales de 2,2 et 28 Mev pour, respectivement, le deutérium et l'hélium 4. La formule donne une valeur positive B (binding energy) qui est l'énergie libérée par la séparation en neutrons et protons du noyau. Elle est proportionnelle au défaut de masse (négatif) puisque la masse d'un noyau est inférieure à celle de ses constituants. On utilise parfois Eʟ, de même signe que le défaut de masse, pour la véritable énergie de liaison, négative, de même qu'en chimie. En fait, le signe moins est rarement utilisé alors qu'il devrait apparaître sur la formule ci-dessus.
L'excès de masse (positif ou négatif) est la différence de masse entre un noyau et le carbone 12. En faisant la différence entre l'excès de masse et la masse qu'on obtiendrait en additionnant les masses des protons et des neutrons grâce à la formule E=mc², on obtient le défaut de masse, proportionnel à l'énergie de liaison. Par contre, le signe de l'excès de masse n'a pas de signification physique sinon que les noyaux plus légers que C12 on un excès de masse positif et les noyaux plus lourds ont un excès de masse négatif. En pratique, les graphiques représentent l'énergie par nucléon c'est-à-dire qu'on divise la formule précédente par A, ce qui donne une courbe plutôt plate avec un maximum correspondant à l'élément plus stable, le fer. Cette division par A fait que la formule diverge pour les noyaux légers.
Le modèle quantique, issu de l'atome d'hydrogène, a été appliqué aux noyaux des atomes avec une différence importante due à l'existence de deux sortes de nucléons alors que le cortège électronique de l'atome ne contient qu'une seule sorte, les électrons négatifs. On obtient ainsi des nombres "magiques" (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126…) de protons ou de neutrons, analogues à ceux de l'atome d'hydrogène (2, 10, 18, 36, 54, 86), tenant compte qu'il y a deux sortes de nucléons au lieu d'une seule sorte d'électrons, prédisant une grande stabilité de ces noyaux. Les noyaux dits « doublement magiques » sont constitués à la fois d'un « nombre magique » de protons et d'un « nombre magique » de neutrons. Le plomb 208 est "doublement magique" car il a 82 protons et 126 neutrons, tous les deux des nombres magiques.
Ces nombres sont issus du modèle quantique, basé sur les équations de Schrödinger, Dirac et autres. Pour cela, les nucléons devraient avoir une énergie cinétique de l'ordre de la dizaine de MeV, soit une fraction non négligeable de la vitesse de la lumière. Cela est surprenant puisque le rayon d'un noyau est en accord avec des nucléons jointifs. Cependant cela ne fait que quantifier le moment cinétique et ne résout en rien le problème de la nature de la force nucléaire. La quantification implique des moments cinétiques multiples entiers du magnéton nucléaire. Les moments cinétiques des protons et des neutrons s'additionnent vectoriellement mais séparément. Ce n'est pas le cas en mécanique classique où le moment cinétique d'une automobile n'est pas la somme des moments cinétiques de ses roues et de sa carosserie. En mécanique classique on additionne les énergies cinétiques. En fait, quand on parle de spin, il s'agit, au signe près, du moment magnétique et non du moment cinétique. L'expérience de Stern et Gerlach, à l'origine de la notion de spin, était d'ailleurs basée sur le magnétisme. L'application du modèle de l'atome à son noyau a été une facilité mais il est permis de douter de sa pertinence.
- Assemblage de particules alpha
Le modèle du noyau constitué comme un assemblage de particules α est considéré comme caduc. C'est pourtant à l'aide de ce modèle de noyaux à particules alpha que Gamow a expliqué la radioactivité α. Mais ce n'est pas tout: en effet les noyaux constitués de particules alpha (Z = N pairs) ont une énergie de liaison supérieure à celle de leurs voisins comme le montre la courbe de l'énergie de liaison par nucléon des noyaux N=Z où on remarque la coïncidence parfaite entre les pics et les nombres de masse multiples de 4. Pour savoir comment a été obtenue cette courbe voir ma table Excel avec plus de 3000 noyaux.
Les creux contiennent aussi des particules α mais il reste un neutron et un proton de sorte que, si l'énergie de liaison totale augmente bien, l'énergie par nucléon diminue. La représentation des noyaux par des assemblages de particules alpha, considérée comme caduque, explique pourtant cette périodicité de 4 du nombre de masse atomique, d'où le nom de noyaux 4n ou alpha-magiques. Moins nette sur les noyaux lourds, cette périodicité s'observe aussi bien sur l'énergie que sur d'autres caractéristiques comme les moments magnétiques, les demi-vies et l'abondance.
Vocabulaire
Voici quelques définitions:
Physique nucléaire: concerne le noyau de l'atome
Physique des particules: concerne non seulement les nucléons (protons et neutrons),constituants du noyau mais aussi toutes les particules plus ou moins élémentaires comme les électrons, mésons, muons, neutrinos…
Isotope: noyaux de même numéro atomique
isobare: noyaux de même nombre de masse (même poids)
isomère: états excités d'un même noyau
isotone: noyaux de même nombre de neutrons
singulet: état quantique s (sphérique, spin nul)
doublet: spin 1/2
triplet: spin un
Numéro atomique Z: nombre de protons dans un noyau
Nombre de neutrons : N
Nombre de masse A = N + Z (nombre entier)
Masse nucléaire: masse du noyau
Masse atomique : masse moyenne d'un atome, nucléons plus électrons moins leurs énergies de liaison dont on doit tenir compte dans les mesures de haute précision. L'unité de masse atomique u, uma ou amu est 1/12 de la masse du carbone 12, y compris ses 6 électrons (le système international avec ses unités cohérentes est peu utilisé en physique moderne). La masse molaire s'exprime par le même nombre mais en g/mol.
Excès de masse : différence em entre la masse d'un noyau quelconque et celle du noyau de carbone ¹²C de masse atomique 12 exactement par définition de la masse atomique. Mal nommé puisque positif ou négatif, il n'est utilisé que par les spécialistes pour calculer l'énergie de liaison d'un noyau. Pour obtenir la masse à partir de l'excès de masse em (ou ME), on utilise la formule M=em+Axuma où ua=931,4812 MeV est l'unité de masse atomique, différente à la fois de celle du proton (938 770 MeV) et du neutron (939,553 MeV).
Défaut de masse : différence entre la masse d'un noyau et la somme de ses constituants, protons et neutrons, négatif car la masse d'un noyau est environ 1% plus petite que celle de ses constituants. La conservation de l'énergie est respectée car l'énergie des nucléons isolés se répartit entre l'énergie de masse du noyau E=mc2 et l'énergie de liaison, immatérielle, de nature apparemment inconnue.
Energie de liaison : défaut de masse divisé par c² où c est la vitesse de la lumière selon la formule E=mc². L'énergie de liaison s'exprime en millions de volts (MeV). On utilise aussi les MeV/c², supposés représenter une masse et même MeV/c pour la quantité de mouvement sans oublier les MeV.fm… Les kilogrammes ou les joules du système international SI ne sont pas utilisés par les physiciens nucléaires. Comme en chimie, l'énergie de liaison est en principe négative mais le signe moins est généralement omis.
Symbole des noyaux: le plus simple est d'écrire, par exemple pour le deutérium 2H où 2 est le nombre de masse. Il n'est pas nécessaire d'écrire le numéro atomique mais c'est préférable, soit 2H1 ou 1H2, variable selon les auteurs. En cas de doute, le plus grand nombre est le nombre de masse atomique A. Le plus petit est le numéro atomique Z. On utilise souvent des indices et des exposants mais ce n'est pas pratique et en tous cas généralement impossible sur ordinateur.
Abondance isotopique relative
Pourcentage d'isotopes dans un élément chimique donné. Lorsqu'un élément ne contient qu'une seule masse atomique, son abondance est de 100%. Ce terme ne concerne que les éléments stables. C'est pourquoi on trouve parfois l'abondance et la demi-vie dans la même colonne. Cette abondance n'est pas la même sur la Terre ou dans les météorites.
Abondance des éléments
Pourcentage d'éléments chimiques dans un objet, une roche, une météorite, la Terre ou l'Univers. Le système solaire est composé à 99% d'hydrogène, 1% d'hélium, le reste étant négligeable.
Demi-vie
Période durant laquelle la radioactivité baisse de moitié. La période radioactive était à l'origine basée sur le nombre e=2,732 moins courant que le chiffre 2.
Principales unités
L'unité de masse atomique (symbole u ou uma = 931.494 MeV/c2 = 1,66053.10^(-27) kg) est très utilisée. Cette valeur a été choisie pour que la masse atomique du carbone 12 soit exactement de 12. C'est une masse fictive qui se distingue à la fois de celle du proton (1,672614.10^(-27) kg ou 1,00727661 MeV/c2 ou encore 938,2592) et de celle du neutron (1,0086652 uma ou 939,553 MeV/c2). Le système international SI n'est malheureusement pratiquement pas utilisé en physique nucléaire, ce qui nécessite fréquemment des conversions fastidieuses. On se demande quand et pourquoi les MeV sont devenus des MeV/c2…
- Rayon nucléaire
Le rayon d'un noyau atomique n'est pas très bien connu; il varie selon la méthode de mesure. Sa surface aussi est mal définie. L'unité utilisée habituellement est le fm (10^-15 m) qui est approximativement le rayon d'un proton.
- Charge électrique
La charge électrique élémentaire ne serait plus celle de l'électron mais le tiers, celle des quarks d (down) et s (strange), soit -e/3 ou 0,5.10⁻¹⁹ C.
Le moment magnétique nucléaire s'exprime en magnéton nucléaire µN = eh/(2Mp)
= 3,15 × 10−8 eV/T (SI). Il est différent du magnéton de Bohr de sorte
que, si on veut comparer le moment magnétique d'un atome et celui de
son noyau, on doit faire la conversion en unité cohérente, ici celles
du système international SI.
Le moment électrique dipolaire est nul ou quasi-nul. Le moment électrique quadrupolaire (ou quadripolaire, symbole Q, ne pas confondre avec l'énergie de même symbole) est généralement donné en barns c'est-à-dire en 10^(-24) e.cm2, où e est la valeur absolue de la charge élémentaire de l'électron ou du proton. En pratique, on fait e = 1 de sorte que le moment électrique quadrupolaire devient une surface. Il est intéressant de prendre sa racine carrée pour obtenir une longueur qu'on peut comparer au rayon. Par exemple, le deutéron (noyau d'hydrogène lourd) a un moment de +0,002875.10^(-24) cm2. Cela correspond à une longueur de 0,05362.10^(-12) cm, soit 5,362.10^(-14) m ou encore 0,5362 fm, le femtomètre ou fermi étant égal à 10^(-15) m. C'est la moitié du rayon d'un nucléon pris égal à un fm. Elle représente l'écart des charges électriques formant le quadrupôle.
Les essais de collisions entre particules et cibles selon la méthode séculaire de Rutherford donnent des renseignements sur la structure des noyaux sous la forme de sections efficaces (symbole σ ou Q), exprimées en barns, comme les moments quadrupolaires.
- Invariants
Dans les réactions nucléaires, il y a des invariants (certains sont hypothétiques):
conservation de l'énergie (masse y compris) ;
Conservation du nombre de masse ;
conservation de la charge électrique ;
conservation de la quantité de mouvement ;
conservation du moment angulaire ;
conservation de la charge de couleur ;
conservation du flux magnétique ;
conservation du nombre baryonique ;
conservation du nombre leptonique ;
conservation du produit des symétries T, C, P
jeudi 12 février 2009
Argumentaire du lobby nucléaire
Environnement radioactif naturel et et artificiel: La radioactivité artficielle est inférieure à 1% de la radioactivité naturelle.
Sans doute car moyennée sur la Terre entière et ses habitants. Et les maximums sont de combien?
Quelle énergie pour demain? Texte à remettre à jour pour tenir compte de l'évolution de la question.
Les déchets radioactifs: 1 kg de déchets radioactifs pour 2 500 kg de déchets domestiques et 2 900 kg de déchets industriels. Oui mais les déchets radioactifs sont des millions de fois plus virulents que les autres déchets. Et les déchets nucléaires, dits stériles, déversés en catimini dans la nature et polluant l'eau de Limoges? C'est la méthode de la mafia napolitaine qui déverse partout ses ordures qui, incendiées, dégagent la dioxine polluant la mozzarella.
Nucléaire = économies: peut-être mais quid des subventions et des risques sanitaires. Ce n'est pas par hasard que les essais nucléaires ont été interdits, d'abord dans l'atmosphère puis souterrains. Le nucléaire est tout aussi fossile que le charbon et le pétrole. D'ailleurs les gisements français sont épuisés.
20 ème anniversaire de Tchernobyl: du aux erreurs humaines et à la mauvaise conception du réacteur. Rien sur l'arrêt du nuage à la frontière: le nuage est une fable. L'accident sera vite oublié: on frémit.
Munitions à uranium appauvri. L'uranium appauvri est deux fois moins radioactif que l'uranium naturel et pas plus toxique chimiquement que le plomb ou le mercure. Oui mais l'uranium naturel ne se trouve pas à l'état pur dans la nature. Pourtant visitez les musées minéralogiques avec un compteur Geiger et mettez-le devant les vitrines de minéraux fluorescents…
Le captage-stockage du CO2: très cher en énergie.
L'hydrogène: Produit par électrolyse grâce à l'électricité nucléaire.
Le retraitement du combustible nucléaire usé: le détartrage de la conduite de la Hague a été fait par des plongeurs dans l'eau radioactive. La dose reçue en une heure serait voisine de celle d'une radio pulmonaire. Combien de temps les plongeurs y ont travaillé? On ne le saura pas puisque c'est un non-événement. Christian Bataille, cité ici, a montré son incompétence au cours de l'émission "Pièces à conviction" du 11 février 2009.
Le transport des matières radioactives: aucun risque…
Risque sismique pour les INB: sigle voulant dire "Installations Nucléaires de Base". Les installations sont prévues pour résister tremblements de terre. Les réacteurs n'ont subi aucun dommage lors des séismes au Japon. Comment explique-t-on les fuites radioactives qui se sont produites récemment au Japon et qu'on a voulu cacher?
Le radon: Naturel, donc pas dangereux. Les décès sont dus surtout au tabac (c'est une excuse?). Le risque de cancer du poumon est prouvé chez les mineurs d’uranium, fortement exposés au radon (cette acceptation ne date que de peu années).
Principe de précaution: il faut le remplacer par la culture du risque. D'ailleurs la Sécurité Nucléaire est indépendante des exploitants nucléaires. Leurs personnels ont été formés et nommés chez les patrons du nucléaire.
Les faibles doses: elles sont bénéfiques, c'est prouvé… Le risque potentiel fait l'objet d'une surveillance et de recherches permanentes. Mais pourquoi on refuse (IRSN, CEA, AREVA ou autre) de donner les informations lorsqu'on les demande?
EPR: La construction en Finlande du premier réacteur de ce type a du être arrêtée à cause de malfaçons, la sécurité nucléaire est donc défaillante.
Effet de serre et climat: L'application du principe de précaution (tiens-tiens) (…) signifie (…) de nouveaux modes de production d’énergie (réacteurs de 4ème génération – fusion). Voir plus loin "la génération IV".
Les réacteurs naturels d'OKLO: leur existence prouve que la fission nucléaire était un moyen parfaitement naturel pour produire de l'énergie. C'était il y a deux milliards d'années lorsque la vie n'existait pas encore.
ITER: Ce réacteur nucléaire est destiné à remplacer l'uranium par l'eau comme la bombe H a remplacé la bombe atomique. Pourtant cela fait un demi siècle qu'on cherche sans trouver. ITER est aussi un gouffre financier.
Simulation et dissuasion nucléaire: Les essais nucléaires étant maintenant interdits, ils seront remplacés par des simulations sur ordinateur complétés par quelques expériences laser.
Et si la France sortait du nucléaire ? C'est du chantage?
La recherche nucléaire freine-t-elle le développement des énergies
renouvelables ? Voir la campagne récente de l'Institut Montaigne contre l'éolien.
La génération IV (ex-surrégénérateurs, ex-surgénérateurs , ex Creys-Malville, ex réacteurs à neutrons rapides revenus à la mode sous le nom de RNR…): Leur principe est comme cela avait été expliqué autrefois, celui d'une locomotive où, après avoir brûlé le charbon, on en aurait plus qu'avant. On préfère dire maintenant "Le grand atout des RNR réside dans leur capacité à fabriquer autant, sinon plus, de matière fissile qu'ils en consomment". Autrement dit, le mouvement perpétuel…
La Super centrale Phénix de Creys-Malville devait être refroidie avec du sodium liquide à 550 °C en grande quantité (aucune information à ce sujet ici). Or le sodium, en contact avec l'eau, explose ce qui, en cas d'accident, permettrait une bonne dispersion des substances radioactives, comme à Tchernobyl. La maîtrise des feux de sodium n'a jamais été réalisée et on ose nous reparler de quatrième génération. Il y a eu, en 1988, rupture du réservoir de sodium, soi-disant très épais, avec fuite de sodium. Comment peut-avoir confiance en ces gens arrogants et trop sûrs de leurs compétences?
Dans le numéro 144 de "défis du cea" on apprend que le démantèlement de Phénix est en cours. Aucune information sur celui de Super-Phénix.
La vérité sur la radioprotection
Une dose totale de 5 Sv est mortelle. Une dose locale de 7 à 10 Sv ne donnerait qu'une cloque. Une dose de 0,2 Sv rend malade: on risque de mourir précocement. La dose reçue à Paris (0,1 μSv/h) durant toute une vie est inférieure à 0,01 Sv: on meurt normalement. Voilà toute l'échelle.
Unités de mesure
La mesure de la radioactivité se fait généralement à l'aide d'un compteur Geiger constitué d'un récipient contenant un gaz qui devient conducteur de l'électricité lorsqu'une particule ionisante le traverse. On peut entendre, visualiser et compter les particules. J'utilise un Quartex qui n'est plus commercialisé. Il est remplacé par le Radex, celui-là même qu'utilisait Elise Lucet lors de son émission "Pièces à conviction" du 11 février 2009 sur les déchets radioactifs abandonnés dans la nature.
Les unités utilisées en radioprotection varient d'un document à l'autre. Les plus utilisées sont les micro-sievert par heure ou μSv/h (appareils de mesure) et les milli-sievert par an ou mSv/an (textes légaux, soit environ 10 fois les μSv/h). Limitons-nous aux photons: rayons X ou γ où 1 gray = 1 sievert. Lorsqu'on utilise un compteur Geiger, il faut vérifier que les unités sont bien des μSv/h en comparant la mesure de la radioactivité naturelle (0,1 μSv/h à Paris) aux données officielles pour éviter toute erreur d'échelle.
Le plus simple est de raisonner en multiples de la radioactivité naturelle qu'on obtient en faisant une mesure avec son propre appareil dans un endroit non contaminé. Les appareils courants saturent à 100 fois la radioactivité naturelle.
Quand on dit que la période radioactive est de 30 ans, cela veut simplement dire que si on a 2 g de matière radioactive à l’instant zéro, c’est comme si on avait encore 1 g au bout de 30 ans. La radioactivité n'aura baissé que de moitié et ainsi de suite tous les 30 ans.
Doses naturelle et légale
D'après le dossier CEA "La radioprotection" (1996), la radioactivité naturelle en France varie de 1,5 à 6 mSv/an (0,17 à 0,68 μSv/h). Pour simplifier et avoir une valeur approximative, on passe des μSv/h (valeurs données par les appareils de mesure) aux mSv/an (valeurs données dans les textes) en multipliant par 10. C'est-à-dire qu'une mesure de 0,1 μSv/h, valeur que j'ai mesurée à Paris, correspond à 1 mSv/an et à 0,1 Sv sur une vie centenaire.
Dans de rares régions (plage de Varkala, Kerala, Inde) la dose peut atteindre 200 fois la normale (information CEA, Clefs n°48) soit dix fois la dose légale annuelle de 20 mSv/an à ne pas dépasser pour un travailleur . En un siècle de vie, cela fait 2 Sv, la dose mortelle étant de 5 Sv. Pour le grand public, la dose de radioactivité industrielle ne doit pas dépasser la dose de radioactivité naturelle, soit 1 mSv/an ou 2 mSv/an en tout. Un citoyen lambda a droit à 0,2 Sv s'il vit un siècle. On peut presque dire que c'est la radioactivité qui nous empêche de vivre au-delà d'un siècle d'existence.
Lorsqu'on est exposé temporairement, on multiplie la radioactivité ambiante par le temps d'exposition. On compare la valeur obtenue à la dose mortelle de 5 Sv, à la dose de 0,5 Sv rendant malade et à la dose normale durant une vie centenaire de 0,1 Sv.
Sous-marin russe K19
Selon une émission de télé, la radioactivité dans le sous-marin suite à une fuite était de 1.000 roentgen (Rt ou rem) soit 10 Sv/h ou 100 millions de fois la radioactivité naturelle. Les ouvriers qui ont soudé le tuyau sont morts rapidement (la dose mortelle est atteinte en une demi-heure dans ces conditions. L'officier qui a fait rapidement la mesure (en une minute il attrape 0,2 Sv) a survécu.
Hiroshima
D'après l'IRSN, "dans l'étude de cohorte des survivants d'Hiroshima et
Nagasaki, la significativité d'une augmentation du risque de cancer se
discute sur la plage 50-200 mSv". Avant toute statistique détaillée sur les différents types de cancer, il est indispensable de connaître la proportion de cancers parmi les décès.
Service de métallurgie de Saclay
Au service de métallurgie de Saclay, selon l'IPSN, 50% au moins des décès sont dus au cancer, alors que la moyenne française est de 32% pour les hommes et de 27% pour les femmes. Les 50% sont en réalité minorés car seuls 71% ont été exposés à des rayonnements ionisants et la cause du décès est inconnue pour 14%. Les auteurs du rapport ( Note SEGR/LEADS/98-01 de l'IPSN non destinée à être publiée, et pour cause) ne donnent pas les chiffres bruts qui permettraient de séparer les personnels suceptibles d'être irradiés des personnels de bureau.
Ce sont les mêmes mensonges que profère AREVA appuyée par l'IRSN, successeur de l'IPSN, à qui on ne peut faire confiance. Ils ont toutefois été obligés de me fournir le document ci-dessus car il avait été cité dans une publication. C'était sans doute une erreur. Ils se contentent généralement d'affirmations gratuites sans preuve.
Sécurité des centrales nucléaires
Le risque d'accident majeur de la centrale de Flamandville a été porté à une probabilité de un sur 10 millions. La probabilité d'impact d'un avion commercial sur une centrale nucléaire est encore dix fois plus faible d'après Contrôle, revue de l'Autorité de Sûreté Nucléaire, numéro 142 page 77, daté de septembre 2001… L'ASN a cessé de publier des documents papier, trop compromettants.
Mine d'uranium en Australie
Un Japonais a mesuré dans une mine australienne 0,86 μSv/h pour une radioactivité normale de 0,04 μSv/h soit 20 fois la normale. Pour 2.000 heures d’exposition par an (valeur officielle de la CRAM), on peut multiplier 0,86 μSv/h par 2000, de qui donne 1,72 mSv/an inférieure à la limite légale de 20 mSv/an. Une ouvrière (cette usine emmploie bizarrement essentiellement des femmes) de cet atelier a, au bout de 30 ans, subi une irradiation totale de 50 mSv, le centième de la dose mortelle. J'ai fait des mesures au même endroit, dans le bus visiteurs, avec mon propre compteur Geiger. J'ai trouvé le triple, soit 30 fois la normale.
Appareils grand public radioactifs
Il existe toujours des boussoles (j'en ai une de mon père qui me sert pour tester mon geiger) et montres lumineuses, des détecteurs de fumée ou autres objets radioactifs dont la vente a été interdite, oubliés dans les tiroirs. Des montres lumineuses au tritium seraient toujours en vente, sans danger, paraît-il, car le rayonnement ne traverse pas la vitre. Mais quand elle casse? Il y a aussi les paratonnerres radioactifs qui devront être déposés avant 2012 mais y a-t-il un suivi? Je vérifierai chez un de mes anciens voisins (il travaillait sur un ancien site du CEA…) qui en a installé un sur son toit il y a plus de 30 ans. Ses voisins (et sans doute aussi un futur propriétaire) ne sont pas au courant de cette radioactivité.
Musée de Minéralogie de la faculté de Jussieu
Au Musée de Minéralogie, devant les vitrines contenant des minéraux cadeaux de la COGEMA et de TOTAL, la radioactivité dépasse 100 fois la radioactivité naturelle à Paris de 0,1 μSv/h. La limite annuelle autorisée pour le public, de 1 mSv est atteinte en 10 h de présence devant la vitrine. Les intérimaires étudiants, qui n'ont pas de détecteur, ont droit à une dose de 20 mSv/an, atteinte au bout de 200 h. Ils font 20 h par mois pendant 2 ans, soit 240 h en tout. Ils ne dépasseraient la limite autorisée que s'ils restaient constamment devant ces vitrines. Ces blocs radioactifs ont été retirés, paraît-il, pour faire de la place à l'exposition sur les météorites. La radioactivité y dépasse encore 30 fois la normale.
Les boutons radioactifs
L'entreprise MAFELEC a reçu 3 tonnes de colis radioactifs provenant d'Inde, de nature et d'origine non précisées (pourquoi si on n'a rien à cacher?) sans doute en acier pouvant provenir via LAXMI Steel, filiale de Mittal, du Niger où le CEA laisse traîner des ferrailles radioactives. Sur un poste de travail de MAFELEC, la radioactivité est de 50 μSv/h, soit 500 fois la radioactivité naturelle à Paris, de 0,1 μSv/h. Pour 1000 heures de travail par an cela fait 50mSv soit 1% de la dose mortelle. L'ASN donne des chiffres de 3 mSv… C'est un incident de niveau 1 selon l'ASN reclassé depuis en niveau 2 en raison de l'exposition de plus de dix personnes à des expositions dépassant la limite réglementaire. Il y a eu de la négligence aussi bien à Roissy, où le déclenchement du portique de sécurité n'a pas été signalé, que chez le fabricant. Ce sont en fait les clients Américains qui ont détecté la radioactivité!
Incident (sic) lors de la réintroduction d’une source
Au cours d'une manœuvre de rentrée de la source scellée d'Ir 192 de 0,851 TBq (mille milliards de becquerels) utilisée en gammagraphie, le câble s'est désolidarisé du porte-source. Monsieur A (opérateur CAMARI) a reçu un équivalent de dose corps entier de 155 mSv (dans l'hypothèse où la source aurait été au contact du corps, cette valeur serait à multiplier par trois au moins). Cela fait pratiquement 0,2 Sv pour une source de 1TBq (un million de millions de désintégrations). Il a eu une lymphopénie.
Exposition interne
Ce qui précède n'est pas valable lors de l'absorption de substances radioactives où la radioactivité s'exerce à l'intérieur du corps et pour laquelle il n'y a pratiquement pas de remède. Il faut donc, sauf nécessité médicale, éviter de toucher, respirer ou avaler des substances radioactives. En buvant du vin datant de 1963 (maximum des explosions nucléaires) ou de 1986 (Tchernobyl), on boit aussi du césium 137 radioactif. Les vins "Coteaux du Tricastin" vont changer de nom suite aux événements récents sur le site nucléaire du même nom. Plus sérieusement, signalons le radon qu'on respire et qui s'incruste dans les poumons, le strontium dans les os et l'uranium on ne sait où. Il y a aussi l'ingestion de technetium utilisé dans les scintigraphies où on ingère une dose de près d'un milliard de becquerels qui produisent une radioactivité ambiante de 100 fois la radioactivité naturelle pendant quelques jours. La dose reçue par les proches du patient serait toutefois inférieure à la limite légale. Le technetium ne se fixerait pas dans le corps car c'est un élément artificiel.
Protéger les voies respiratoires par port de masque ou appareil autonome.
Protéger le corps par l'utilisation de vêtements de protection adaptés.
Voir aussi l'article de l'université de Rennes qui donne un grand nombre de cas d'irradiation.
Médecine et radioactivité
Signalons l'usage des radiographies par rayons X qui ont des effets analogues à ceux de la radioactivité gamma. Une autre application médicale est la scintigraphie (voir plus haut). La radioactivité serait bénéfique en faible dose, cela s'appelle l'hormésis, comme à Münster, en Allemagne, à Posčetrtek, en Slovénie et ailleurs où on peut faire des cures de radon. A une certaine époque on faisait des cures thermales d'eau rendue artificiellement radioactive à la station thermale de Spa, en Belgique.
Pour fixer les idées:
La radioactivité naturelle est de 0,1 μSv/h. La dose reçue naturellement durant toute une vie centenaire est de 0,1 Sv. On peut penser que le vieillissement est du à la radioactivité…
Sur certains postes de travail, on atteindrait 500 fois la radioactivité naturelle ou 50 μSv/h soit la dose mortelle au bout d'un an de travail. Comme on ne reste au maximum sur un poste qu'une demi-douzaine d'heures par jour, on atteint la dose mortelle au bout de 4 ans. A confirmer.
Energie nucléaire et autres énergies
Energie nucléaire et énergie chimique
De même que Joule avait établi l'équivalence entre l'énergie mécanique et la chaleur, Einstein a établi l'équivalence entre masse et énergie. Cependant, il y a une différence d'échelle fondamentale; en effet 1 g de matière, en se dématérialisant libère une énergie de mille milliards de joules alors qu'un gramme d'explosif ne dégage que 7.000 J. L'académicien Georges Urbain écrivait déjà en 1925 "L'énergie libérée par un certain volume d'émanation du radium (radon) est un million de fois supérieure à celle que libère l'explosion du même volume de gaz tonnant dans les mêmes conditions de température et de pression." L'énergie nucléaire se distingue donc de l'énergie chimique par sa puissance des millions de fois plus grande, au kg, même en pratique, comme on va le voir. L'énergie de liaison nucléaire est un million de fois plus grande que l'énergie de liaison atomique. En effet, l'énergie de liaison des noyaux atomiques s'exprime en MeV ou MeV/c² (million d'électron-volt ou 1,6.10⁻¹³ J) alors que l'énergie des électrons dans l'atome s'exprime en eV. Les noyaux des atomes sont plus petits que les atomes dans les mêmes proportions, ce qui veut dire que, contrairement aux idées reçues, la puissance de l'énergie nucléaire provient simplement de la petite taille des nucléons dont on ne connaît d'ailleurs pas l'origine.
Masses atomiques
Aston a constaté que la masse atomique d'un noyau était plus faible que la somme des masses de ses constituants, le proton et le neutron. Cette différence, appelée défaut de masse ou encore déficit de masse, est de l'ordre du pour cent (ne pas confondre avec l'excès de masse, par rapport au carbone 12 et de signe opposé, sans signification physique). La courbe d'Aston représente la différence entre la masse atomique d'un noyau et celle de ses constituants en fonction de la masse elle-même. Cette différence correspond à l’énergie de liaison du noyau de l'atome, représentée sur le graphique ci-dessous en fonction du numéro atomique. Voir aussi une Table avec plus de 3000 nucléides sur Excel, utilisable et modifiable à volonté. En toute rigueur, l'énergie de liaison est négative car il faut fournir de l'énergie pour extraire un nucléon du noyau. .De même qu'en chimie, l'énergie de liaison nucléaire est toujours négative. Elle n'est nulle que pour l'hydrogène, dont le noyau est constitué d'un unique proton. Elle est de -2 MeV pour le deutérium (symbole D ou ²H), constitué d'un proton et d'un neutron, soit -1 MeV par nucléon (on met rarement le signe moins). En chimie, l'énergie de liaison, opposé de l'énergie de décomposition, est la variation d'enthalpie lors de la formation d'une liaison à partir des atomes isolés, à l'état gazeux. L'énergie de liaison nucléaire est, en valeur absolue, maximale pour le fer. Cela veut dire qu'on peut produire de l'énergie soit en transmutant des noyaux légers en noyaux lourds pour la fusion ou inversement pour la fission.
Le maximum de la courbe correspond au fer de masse atomique 52. Ce maximum indique que la fusion de deux noyaux légers produit un noyau plus lourd. La fission d'un noyau lourd comme l'uranium produit aussi des noyaux dont la somme des masses est plus grande. C'est une courbe expérimentale qu'on ne sait pas calculer à partir de principes fondamentaux comme pour l'atome de Bohr. On sait seulement l'expliquer, par exemple à l'aide de la formule semi-empirique de Weizsäcker (cf Bases de la physique nucléaire).
On observe aussi des maximums qui correspondraient à des nombres dits "magiques" : 2, 8, 20, 28, 50, 82, voisins des numéros atomiques des gaz rares : 2, 10, 18, 28, 36, 54, 86. Il existe d'autres théories basées sur la résonance du noyau (équation de Schrödinger), les modèles en couches ou collectifs (analogie avec la spectroscopie moléculaire) ou l’empilement des nucléons (Pauling) ou des particules alpha (Gamow). Les mesures ne permettent pas de trancher en faveur de l’une ou l’autre de ces théories. Les pics qui apparaissent en début de courbe correspondent aux noyaux de même nombre, pair, de protons et de neutrons, c'est-à-dire constitués uniquement de particules alpha.
Etat de la science nucléaire
L'énergie de liaison des nucléons est due à la différence entre la somme des masses des protons et des neutrons séparés et leur somme lorsqu'ils sont réunis dans un même noyau ainsi que cela a été montré par Langevin à l'aide de la formule d'Einstein E = mc². La connaissance de la nature de la force nucléaire n'a pas beaucoup progressé depuis. On a inventé des forces ad hoc, forte et faible, ce qui est du même tabac que de dire qu'une pierre tombe parce qu'elle est lourde. L'énergie de liaison d'aucun noyau n'a toujours pas été calculée à partir de constantes universelles. On trouve de nombreux calculs qui tournent en rond: le rayon du noyau à partir de son énergie de liaison, ou vice-versa, ce qui permet de faire croire qu'on sait tout. Pour s'en apercevoir, il suffit de chercher les mots anglais "fit", "parameter", "adjusted"… (variable d'ajustement) dans les articles qui vantent la précision de leurs résultats… relatifs. Je n'ai trouvé aucune explication du fait que l'énergie de liaison par nucléon de l'hélium 4 est près de 7 fois plus grande que celle de l'hyrogène lourd (le premier pic sur la courbe).
Nature électromagnétique de l'interaction nucléaire
Comme chacun sait, l'origine de l'énergie nucléaire provient de la relation d'Einstein E=mc2 qui transforme la masse en énergie. Cela n'explique pas tout car on ne connaît pas la force qui maintient le noyau atomique. On l'a baptisée "ad hoc" force forte mais ce n'est pas une explication. Il existerait aussi une "force faible" qui s'interprète par la théorie dite électrofaible basée sur l'électrodynamique. On tient compte aussi depuis longtemps de la répulsion électrostatique coulombienne entre les protons. La "force forte" a été construite par analogie avec l'interaction entre deux moments magnétiques c.à.d. deux aimants. Pour moi ce sont pas seulement une analogie mais la réalité. Il reste l'attraction proton-neutron réfutée par la physique conventionnelle. J'avais proposé à l'Académie des Sciences un tel calcul mais sa publication m'a été refusée sous prétexte que mon hypothèse était "hardie". Une autre revue a aussi refusé mon texte, qui "does not meet the scientific standards of the EPJ A", sans autre forme de procès. C'est pourquoi j'ai envisagé de publier ma théorie directement sur Internet après avoir déposé un pli cacheté à l'Académie. Je pense toutefois refaire prochaînement une tentative de publication officielle.
Mon hypothèse est que l'interaction nucléaire est de nature électromagnétique. On sait que le neutron contient des charges électriques et un moment magnétique. Les charges électriques du neutron se séparent par influence sous l'action du champ électrique du proton et, comme chacun peut l'observer à l'aide de bouts de papier et d'un stylo en plastique, l'électrisation par influence est attractive. La force répulsive qui permet l'équilibre entre le proton et le neutron du deutéron ²H est constituée par la répulsion magnétique entre le neutron et le proton, alignés et opposés, ce qu'on peut aussi observer à l'aide de deux boussoles ou deux aimants alignés en sens opposés. Le résultat de mon calcul est en accord, à 30% près, avec la valeur expérimentale de l'énergie de liaison, mesurée, du deutéron appelé aussi hydrogène lourd. Le calcul de l'hélion ⁴He est encore peu précis est mais explique tout de même en partie au moins pourquoi son énergie de liaison est élevée, comparée à celle du deutéron.
Bases de données
La physique subatomique présente de grosses lacunes malgré les moyens gigantesques mis à sa disposition et mal utilisés. Il existe des tables, appelées fièrement PDG, CODATA, ENSDF, NUBASE… des propriétés des noyaux et des particules. Cependant, les fichiers correspondants sont peu accessibles. Les rares tables en format Excel ou ASCII doivent être entièrement retravaillées si on désire tracer un graphique car chiffres et letttres y sont mélangées. Les unités sont incohérentes, le système international SI est ignoré de sorte qu'on ne peut comparer le magnéton de Bohr au magnéton nucléaire sans conversion fastidieuse. Les demi-vies sont exprimées à l'aide de symboles (s, h, zs, y, s…) ce qui exclut le tracé d'une courbe. Il n'est pas écrit si les cases vides correspondent à des valeurs nulles ou à des valeurs inconnues. Il n'existe aucune table complète et exploitable sous forme infomatique avec toutes les données nécessaires, nom de l'élément, numéro atomique, nombre de masse, masse atomique, moment magnétique, moment quadrupolaire (ou quadripolaire), durée de vie, isospin, polarisabilités électrique et magnétique, rayon de charge, section efficace, abondance des nuclides… pouvant être classées selon divers critères, par exemple la parité du numéro atomique et/ou du nombre de masse. Elles ne contiennent que les données intéressant uniquement les spécialistes de noyaux individuels à qui elles s'adressent (voir par exemple la "Monographie BIPM-5" où on n'a que des fichiers pdf, un par élément alors qu'il faut un fichier unique de tous les nuclides, utilisable dans un tableur avec une ligne par noyau). On peut trouver une table papier avec les données essentielles dans le livre de Enge, Introduction to Nuclear Physics. La connaissance de la structure du noyau atomique est bloquée par l'absence d'un tableau ASCII, chiffres et lettres dans des colonnes différentes avec un maximum de données par ligne, dans les unités cohérentes du système international SI. Ce sont les Chinois qui vont s'en occuper puisque personne en Occident ne s'y intéresse.
Réactions nucléaires
Lorsqu’on transmute un noyau pour le rapprocher du maximum de la courbe ci`dessus, fer ou nickel, c'est-à-dire le rendre plus stable, on libère de
l’énergie. Imaginons deux noyaux de deutérium (hydrogène lourd
d’énergie de liaison 1 MeV par nucléon) transformés en un noyau d’hélium d’énergie
7 MeV par nucléon. Ils libèreraient une énergie de 6 MeV par nucléon, soit 10^-12
Joule par nucléon. Comme un nucléon-gramme contient 6.10^23 nucléons
selon le nombre d'Avogadro, l’énergie libérée par nucléon-gramme est la
même que pour un gramme soit, théoriquement, 600 GJ/g (un gigajoule vaut un milliard de
joules, un MJ vaut un million de joules et un kJ 1000 joules). La même
quantité de pétrole ne donne que 42 kJ/g, cent millions de fois moins.
En fait cette réaction est imaginaire, les réactions réelles sont plus
compliquées et moins énergétiques.
La fission de l’uranium correspond à un saut d’énergie maximal de l’ordre de 1 MeV par
nucléon au lieu de 8 pour pour fusionner des noyaux de deutérium D en Fe, comme on le voit sur la courbe.
L’uranium naturel, utilisé dans les centrales nucléaires actuelles,
fournit 420 MJ/g, mille fois moins que la fusion théorique mais tout
de même 10 millions de fois plus que le pétrole, à poids égal. Voir le MÉMENTO SUR L'ÉNERGIE
L'éolien, cauchemar du nucléaire
Les nucléocrates avancent masqués, par exemple en faisant diversion sur l'éolien. En voici un, interviewé par David Pujadas:
"Je suis un écologiste scientifique, annonce d'emblée Bernard Wiesenfeld, docteur en physique nucléaire. Je suis donc pro-nucléaire comme tout écologiste…" Dans son livre, il critique: "Malgré les améliorations
technologiques, l'éolienne reste une machine très exposée aux
intempéries" et alors?
L'institut Montaigne, émanation des X du CEA et d'ailleurs, avait lancé une offensive contre l'éolien qui commence à rattraper son retard. Voyons les chiffres. Il y a en France, actuellement, 60 centrales nucléaires, soit 50 GW (50 millliards de watts), pour 2.500 éoliennes, soit 1 GW par centrale nucléaire. La consommation d'énergie est répartie à peu près également entre le nucléaire et les autres. Pour remplacer le nucléaire, on devrait construire 100.000 éoliennes soit 1 éolienne de 1 MW tous les 7 km en moyenne. D'après les études existantes on dépassera difficilement les 10.000 éoliennes. En ce qui concerne le bruit, j'ai du tendre l'oreille pour entendre quelque chose dans un champ d'éoliennes en Grèce, mais peut-être y sont-elles moins bruyantes qu'en France…
L'hydrogène, source d'énergie?
Mon oeil! L'hydrogène ne se trouve pas dans la nature, il faut le
fabriquer, à partir du pétrole ou en électrolysant de l'eau. Or, 80% de l'électricité est, en France, d'origine nucléaire.
Il faudrait doubler le nombre de centrales nucléaires pour remplacer le
pétrole. Une autre méthode, nucléaire elle aussi, mais où on utilise l'énergie de fusion des noyaux légers au lieu de la fission des noyaux lourds est à l'étude depuis un demi-siècle, sans avoir donné de résultat, c'est l'énergie thermonucléaire, celle de la bombe H, actuellement un gouffre financier avec le Tokamak ITER. N'oublions pas le Laser mégajoule permettant de délivrer un million de joules pour porter un mélange de deutérium et de tritium à une température de 10 millions de degrés pendant durée de moins d'un millionième de milliardième de seconde (10^-15 s) et de déclencher une micro-explosion thermonucléaire. Cela fait une puissance de 10^21 W, des milliards de fois l'énergie consommée sur Terre mais pendant une durée infiniment courte
Les perles du lobby nucléaire
Voici quelques âneries proférées dans le passé et le présent par le lobby nucléaire:
L'hydrogène: des perspectives intéressantes pour se substituer en partie aux énergies fossiles (le nucléaire n'est donc pas une énergie fossile?) constitue une alternative. D'où vient donc l'hydrogène? de l'eau bien sûr, puisque c'est une source inépuisable. Avec quelle énergie extraira-t-on l'hydrogène de l'eau? Mais c'est bien sûr, des centrales nucléaires.
Le directeur d'Areva Tricastin, Hugues Blachère, reconnaît que la nappe phréatique est contaminée (pardon, marquée) par de l'uranium mais il ne sait pas d'où il vient… Avec des gens comme çà, on ne sait pas où on va. Ce n'est qu'à cause de la "dimension émotionnelle" des incidents du Tricastin, qu'AREVA va dépenser 20 millions d'euros malgré "la banalité de ces alertes" de 2008. AREVA se moque du monde.
Le Ministre Alain Richard avait prétendu que l'uranium appauvri était sans danger. On ne l'a plus entendu plus depuis que le contraire est généralement admis. 75% de notre énergie est nucléaire, Roselyne Bachelot, alors ministre de l'environnement; en fait il ne s'agit que de l'électricité.
On a dû rajouter au Charles de Gaulle, "notre dernier porte-avions, un gadget à trois milliards que vous pouvez mettre au rebut tout de suite" (Charpak), 3 tonnes de protection contre les radiations, ce qui prouve qu'on ne sait pas évaluer correctement le rayonnement émis par les générateurs nucléaires. Le rayonnement neutronique était "5 à 10 fois plus que ce qui était attendu". Les employés du CEA prétendaient que le problème était dû à un changement dans la règlementation européenne…
Les fusées de la force de frappe devaient être propulsées avec un propergol dopé à la nitroglycérine! On imagine des tonnes d'explosif sensible à côté de plusieurs bombes H dans le port de Bordeaux ou de Brest. Heureusement, ce projet de Dr Folamour a été abandonné. Une société nationale françaises, du temps du shah, a fourni la technologie des fusées à l'Iran, les américains ayant fourni la technologie nucléaire qui va avec. Maintenant, on a peur de l'Iran, c(est ce qu'on appelle un retour de manivelle!
Le directeur de la centrale EDF dite "Tchernoblaye", à la télé, prétendait sans rire que sa centrale résistait à une vague millénaire, alors qu'elle venait d'être envahie par les eaux. Les centrales sont protégées contre les avions, certes, mais uniquement les
coucous et surtout pas les gros porteurs. En 2001, juste avant le 11
septembre, la probabilité d'impact était évaluée à un millionième pour
les avions de masse supérieure à 5,7 tonnes, donc négligeable soit, en
langue de bois de l'EDF: "Le standard n'est donc pas dimensionné au
chargement correspondant". Malgré cette erreur, on se limite encore à
700km/h alors que la moindre fusée est supersonique. Aucune amélioration des protections ne semble avoir été réalisée depuis.
La pile Zoé à Fontenay-aux-Roses avait une journée portes ouvertes il y a quelques années; depuis plus rien. Les rayonnements qui sortaient de la pile étaient faibles (je les ai mesurés). Pourtant, à
côté, des minerais étaient présentés, avec une émission cent
fois supérieure que j'ai mesurée au compteur Geiger. J'ai interrogé par écrit le directeur du CEA de Fontenay-aux-Roses. Cela fait des années
que j'attends la réponse que le responsable communication m'avait
promise par écrit. Le responsable communication d'Areva reconnaît qu'il n'a pas répondu aux questions d'Elise Lucet. Sans doute aurait-elle du attendre sa réponse pour boucler l'émission
"Pièces à conviction" du 11 février 2009" … "Attaché au dialogue" il ne répond toujours pas au problème de l'eau radioactive de Limoges.
Le problème des travailleurs précaires du nucléaire reste entier, d'après un reportage télévisé. Le musée de Minéralogie de la Faculté des Sciences de Jussieu emploie des étudiants qui se font irradier par des cailloux, cadeaux de Total et du CEA (le détecteur sature, soit 100 fois la radioactivité naturelle). Même problème à l'Ecole des Mines où le responsable du musée de Minéralogie m'a répondu que le Quartex (l'appareil que j'utilise pour mesurer la radioactivité) est trop sensible.
Comme l'a dit un nucléocrate, "le plutonium c'est naturel" ; la cigüe, poison utilisé par les grecs est tout aussi naturel. C'est comme l'uranium appauvri, moins dangereux que l'uranium naturel, donc pas dangereux du tout.
La longévité des travailleurs du nucléaire, supérieure à celle du Français moyen. Bien sûr car le personnel des bureaux est dans le lot. Les travailleurs du centre nucléaire du Bouchet (on y voit la photo du laboratoire où j'ai travallé dix ans sur les poudres et les explosifs) travaillaient dans une ambiance si radioactive que les photos étaient voilées (reportage de 1949, dans Jeudi-Matin). D'après un témoin, nombreux sont ceux qui sont morts jeunes. D'ailleurs un ancien directeur (membre de la SFEN) a reconnu "qu'à l'époque on était peu regardant". Le CEA ou l'IPSN ne donnent aucune information sur le Bouchet. D'après l'IPSN, la mortalité des travailleurs du service de métallurgie de Saclay, ne présente pas de pic en 83-84. Et pour cause, la courbe est cumulative! De plus, à la voir, on croit qu'il y a un grand nombre de résultats statistiques alors qu'en réalité il n'y en a que 44. J'ai donc tracé un graphique avec les données brutes et les barres d'erreur que Georges Charpak m'a demandé d'indiquer, ce que n'avait pas fait l'IRSN qui présente un diagramme bien lisse. En traçant le graphique par année, on obtient le résultat suivant:
Pourtant, ils reconnaissent que la moitié des décès sont dûs au cancer, alors que la moyenne française est de 25 à 30%. En fait le nombre est bien plus élevé car on n'a tenu compte ni des "causes inconnues" ni des "perdus de vue" mais on a inclu les personnels de bureau et autres non irradiés. On trouvera un extrait du rapport de l'IPSN devenu IRSN ainsi que son résumé dont la conclusion est que les résultats (minimisés au maximum) ne justifient pas l'impression des travailleurs (quel mépris!) d'un excès de cancers. Le CEA existant depuis plus d'un demi siècle, un bilan de santé des personnels (sans les personnels de bureau mais y compris les intérimaires et, pour les morts, leur âge au décès) est indispensable.
Je rappelle que le changement de nom de l'IPSN est dû aux cafouillages au moment de Tchernobyl. Cependant, le problème de la crédibilité de ce type d'organisme n'est pas résolu pour autant. Les rapports de l'ex IPSN, de l'ex OPRI, de l'ex SPRI ou de l'IRSN sont remplis de baratin mais les chiffres, lorsqu'ils ne sont pas truqués sont incompréhensibles et inexploitables. Les conclusions sont toujours obscures, du genre il va faire beau mais il risque de pleuvoir. Cela permet de prétendre qu'on n'a jamais dit que le nuage de Tchernobyl s'est arrêté à la frontière.
En Australie j'ai visité une mine d'uranium où, dans un atelier, la radioactivité était trente fois supérieure à la normale. Bizarrement, cette usine emploie essentiellement des femmes. Dans cette région appelée "Sickness country", nombreux sont les malades de la radioactivité. On prétend que ce serait dû au léchage des pinceaux utilisés par les aborigènes, sans doute à cause de la peinture radioactive utilisée pour les fresques préhistoriques…
En France, à Gif-sur-Yvette, au Domaine des Coudraies, près du Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay, on fabriquait des montres phosphorescentes. Ces maisons, radioactives, où se faisait ce travail ont été vendues à des particuliers sans les prévenir du danger. Ils n'ont toujours pas été indemnisés. Pour le député du coin, membre du lobby nucléaire, "Les dossiers sont tous clos"; c'est tout dire…. car celui qui a découvert l'arnaque vient de mourir.
Même si nombre de craintes ne sont pas fondées, il ne faut pas s'étonner qu'on soit méfiant puisqu'on nous ment constamment. Tout le monde connaît l'histoire du nuage de Tchernobyl arrêté à la frontière. Les gens du CEA prétendent que ce n'est pas vrai, mais le ministère de l'Agriculture avait déclaré le 6 mai 1986 « Le territoire français, en raison de son éloignement, a été totalement épargné par les retombées de radionucléides consécutives à l’accident de la centrale de Tchernobyl. A aucun moment les hausses observées de radioactivité n’ont posé le moindre problème d’hygiène publique.»
Les organismes gouvernementaux chargés de contrôler le nucléaire sont nommés par lui et en sont généralement issus. L'argent gaspillé pour financer l'IRSN serait aussi bien utilisé pour équiper de matériel et de personnel scientifique les associations écologistes. Elles seraient financées par les régions, sans intervention du CEA ou de ses séides. J'ai pu constater que c'est le CEA qui fait les règlements légaux, prouvé par un mail qui m'a été envoyé par erreur lorsque j'essayais d'obtenir des renseignements sur l'irradiateur gamma du Génopole d'Evry ou Génoscope CEA.