vignette|Noyau atomique de l'hélium. Le noyau atomique est la région située au centre d'un atome, constituée de protons et de neutrons, que l’on appelle collectivement les nucléons. La taille du noyau (de l'ordre du femtomètre, soit ) est environ plus petite que celle de l'atome ()L'atome est donc essentiellement constitué de vide, son volume étant très supérieur au volume cumulé des électrons et du noyau qui le constituent. et concentre quasiment toute sa masse. Les forces nucléaires qui s'exercent entre les nucléons sont à peu près un million de fois plus grandes que les forces entre des atomes ou des molécules.

De nombreux noyaux, dits radioactifs, sont instables et se transforment spontanément en d'autres noyaux en émettant un électron, un positon ou une particule α, en capturant un électron ou en se divisant en plusieurs noyaux, voire en émettant un ou plusieurs neutrons ou protons.

Les noyaux peuvent aussi être sujets à une transmutation provoquée par l'impact d'un autre noyau, d'une particule ou d'un rayonnement électromagnétique.

Notation Un noyau atomique est représenté par le symbole , composé de : son symbole chimique (H, He, Li, etc.) ; son nombre de masse (égal au nombre de nucléons de l'atome, soit protons + neutrons), placé en haut et à gauche du symbole chimique ; son numéro atomique (égal au nombre de protons), placé en bas et à gauche du symbole chimique ; ce dernier est souvent omis car il est implicitement défini par le symbole chimique.

Isotopes, isobares et isomères Isotopes

Les isotopes sont des noyaux (ou des atomes) ayant le même nombre de protons (même numéro atomique ) mais un nombre différent de neutrons , d'où un nombre de masse différent (). Le numéro atomique est ce qui caractérise un élément chimique, il est égal au nombre d'électrons dans l'atome neutre.

Pour un même élément, il existe dans le milieu naturel différents isotopes possédant des nombres de neutrons différents, et on en produit d'autres au laboratoire. Par exemple, le protium , le deutérium et le tritium sont trois isotopes de l'hydrogène présents dans la nature, et on a synthétisé les isotopes , , et .

Les différents isotopes d'un même élément possèdent des propriétés physiques et chimiques similairesCes propriétés ne sont toutefois pas identiques, surtout quand elles caractérisent des états éloignés de l'équilibre (voir l'article « Fractionnement isotopique »). Les différences sont particulièrement notables pour les éléments les plus légers (H, He, Li, Be, B, C, N et O)., car elles dépendent essentiellement de son nombre d'électrons. Cependant, leur différence de masse atomique permet de les séparer à l'aide d'une centrifugeuse ou d'un spectromètre de masse.

Les isotopes se différencient également par leur stabilité et leur demi-vie (ou période radioactive) : les isotopes déficitaires ou excédentaires en neutrons sont souvent instables, et donc radioactifs. Par exemple, le (le plus abondant) et le sont stables, alors que sont radioactifs les isotopes du carbone plus « lourds » que (comme le , avec une demi-vie de ) ou plus « légers » que (comme le , avec une demi-vie de ) Table des isotopes du carbone sur environmentalchemistry.com, et qui indique, entre autres, la stabilité (ou l’instabilité) de ces isotopes. En particulier voir la colonne « Half Life », laquelle indique la demi-vie de l’isotope, sauf s’il s’agit d’un isotope stable. Consultée le 6 février 2011.. À noter qu’il existe également des éléments pour lesquels tous les isotopes sont instables, comme le technétium ou le prométhium, ainsi que tous les éléments synthétiques.

Par abus de langage on parle souvent dun isotope pour désigner un nucléide caractérisé par son numéro atomique et son nombre de masse, sans référence aux isotopes de l'élément chimique correspondant.

Isobares

Des noyaux (ou des atomes) sont isobares s'ils ont le même nombre de masse , c'est-à-dire s'ils ont le même nombre de nucléons (neutrons et protons). Par exemple, le , le , l' , le et le sont isobares : leurs noyaux contiennent répartis en et , respectivement.

Isomères

Les isomères nucléaires sont des atomes ayant les mêmes nombres de protons et de neutrons (et qui appartiennent donc à un même isotope) mais qui présentent des états énergétiques différents, généralement en raison d'une organisation différente des nucléons au sein du noyau. L'état présentant la plus faible énergie est dit fondamental et tous les autres, de plus haute énergie, sont dits excités.

Lorsque la distinction est nécessaire, les isomères autres que l'état fondamental sont identifiés par la lettre « m » rajoutée après le nombre de masse et éventuellement suivie d'un nombre s'il existe plusieurs états excités pour l'isotope en question. Ainsi, l' possède deux isomères notés pour l'état fondamental et pour l'état excité. Autre exemple, le possède pas moins de sept isomères, notés (de l'état fondamental à l'état excité de plus haute énergie) , , , , , et .

Les états excités sont généralement très instables, subissant rapidement une transition isomérique qui les ramène à l'état fondamental ou à un état excité de moindre énergie, et pendant laquelle le surplus d’énergie est évacué sous forme de photon(s). Il existe cependant des exceptions, certains états excités de certains isotopes ayant une demi-vie plus grande que l'état fondamental correspondant, par exemple et .

Caractéristiques physiques Composition et masse atomique Le noyau d'un atome est composé de nucléons : des protons chargés positivement et des neutrons électriquement neutres, fortement liés entre eux (l' ou protium, H, fait exception car son noyau n'est formé que d'un proton, sans neutrons). La cohésion du noyau est assurée par l'interaction forte, qui maintient les nucléons ensemble et les empêche de s'éloigner les uns des autres, contrecarrant notamment la répulsion électrostatique entre les protons.

La masse atomique d'un isotope est la masse de atomes neutres de ce même isotope, étant le nombre d'Avogadro (environ ) : en raison de l'origine historique de la définition du nombre d'Avogadro, la masse atomique du est presque exactement de (incertitude relative de ) ; la masse atomique d'un nucléide autre que C exprimée en grammes () et la masse d'un noyau exprimée en unités de masse atomique unifiées () sont numériquement voisines de leur nombre de masse (nombre de nucléons dans chaque noyau) mais peuvent en différer significativement parce que le rapport des nombres de neutrons et de protons peut être différent de 1 (valeur de pour le ) et que le proton et le neutron n'ont pas exactement la même masse, et surtout parce que le nucléide peut être mieux ou moins bien lié que le et que cette différence d'énergie de liaison (voir la section suivante) se traduit en une différence de masse (par nucléon). L' (deutérium) a ainsi une masse atomique d'environ et le d'environ (le deutérium est moins bien lié que le , et le mieux).

La masse atomique d'un élément chimique est la moyenne pondérée des masses atomiques de ses isotopes naturels : où désigne la fraction molaire de l'isotope dans le mélange naturel (). Certains éléments possèdent des isotopes radioactifs de très longue période : leur composition isotopique naturelle et par conséquent leur masse atomique évoluent sur de longues périodes de temps, telles que les ères géologiques ; c'est notamment le cas pour l'uranium.

Défaut de masse et énergie de liaison

Pour qu'un noyau puisse exister il faut, sauf bien sûr pour celui du protium H (uniquement constitué d'un proton), que ses nucléons soient liés, donc que l'énergie du noyau soit inférieure à la somme des énergies des nucléons qui le composent. En raison de l'égalité , cette différence d'énergie s'exprime comme une différence de masse : la masse d'un isotope est inférieure à la somme des masses de ses nucléons. La différence , où désigne la masse du proton et celle du neutron, est appelée défaut de masse (toujours positif, sauf encore pour le protium dont le défaut de masse est nul).

On définit aussi l'''excès de masse , où désigne l'unité de masse atomique unifiée et est exprimé en termes de cette unité. En raison de l'origine historique de cette unité, l'excès de masse du est nul, et l'excès de masse d'un autre noyau est négatif ou positif selon qu'il est plus ou moins bien lié que le .

Lénergie de liaison est . Pour évaluer la plus ou moins bonne liaison des différents types de noyau, on utilise lénergie de liaison par nucléon, .

Structure

Deux modèles de la structure du noyau ont été développés dans les années 1930-1950 : le modèle de la goutte liquide en 1930 puis 1939, et le modèle en couches en 1949. Le premier conduit à une formule semi-empirique de l'énergie de liaison, et le second à la mise en évidence des nombres magiques de protons et de neutrons. Aujourd'hui les principaux modèles sont des théories de champ moyen, qui approximent le problème à corps (l'interaction des nucléons) par problèmes à 1 corps (chaque nucléon, soumis au « champ moyen » des autres).

La permet de cerner expérimentalement la distribution des protons et des neutrons dans le noyau, ainsi que sa forme. Ainsi, le , qui possède à la fois un nombre magique de protons (82) et de neutrons (126), a ses protons et ses neutrons répartis à peu près uniformément (en moyenne) dans une sphère, mais une sphère plus grande pour les neutrons que pour les protons )... Les noyaux ne sont pas tous sphériques, certains sont aplatis et d’autres allongés, quelques-uns ont même la forme d'une poire.. Les noyaux très instables (de demi-vie très courte) peuvent avoir des structures étranges, par exemple une structure en bulles avec zone centrale peu dense, ou avoir un ou deux nucléons de valence formant un halo autour d'un noyau central compact.

Taille et forme Le rayon d'un nucléon est de l'ordre de , soit (femtomètre), le terme de rayon s'entendant ici au sens d'avoir une probabilité significative de détecter le nucléon dans le volume d'espace considéré. En première approximation, on considère généralement que le rayon d'un noyau de nombre de masse A vaut (modèle de la goutte liquide) , avec . Lorsque A est petit, notamment inférieur à 16, peut valoir .

Cela représente moins de 0,01 % du rayon total de l'atome. La masse volumique du noyau est donc considérablement plus grande que celle de l'atome lui-même. Elle est à peu près constante pour tous les noyaux dans leur état fondamental (non excité) : environ de tonnes par centimètre cube (), masse volumique du fluide nucléaire.

La taille et la forme réelles d'un noyau spécifique dépendent fortement du nombre de nucléons qui le composent, ainsi que de leur état énergétique. Les noyaux les plus stables ont en général une forme sphérique au repos et peuvent prendre, par exemple, la forme d'un ellipsoïde s'ils sont excités. Des formes assez étranges peuvent être observées selon les états d'excitation : en poire, en soucoupe, voire en cacahuète.

Dans le cas des noyaux à halo, quelques nucléons peuvent avoir des fonctions d'onde nettement distendues, entourant donc d'un halo le noyau plus compact formé par les autres nucléons. Le semble par exemple composé d'un noyau de entouré d'un halo de deux neutrons ; sa taille est proche de celle du alors que ce dernier possède vingt fois plus de nucléons.

Stabilité

Certains noyaux sont stables, c'est-à-dire qu'ils ont une durée de vie illimitée. D'autres sont instables et tendent à se transformer spontanément en un autre (parfois plusieurs) de plus grande énergie de liaison par nucléon, en émettant une ou plusieurs particules.