Physique nucléaire

Découvert par Rutherford en 1911, le noyau atomique est un édifice compact constitué de neutrons et de protons liés par l’interaction nucléaire forte, une force intense à très courte portée. Cette découverte fondamentale fut précédée par celle de la radioactivité.

Applications

Les principales applications de la physique nucléaire sont :

  • la médecine nucléaire (imagerie médicale, radiothérapie) 1 ;
  • la production d’énergie à des fins civiles ;
  • les applications militaires (bombe « atomique »).

Théories

On sait aujourd’hui que les nucléons ne sont pas des particules « élémentaires », mais qu’ils sont constituées de quarks et de gluons, dont les interactions sont décrites par la « chromodynamique quantique » 2, ou « QCD »3 4 5.

Cette théorie est un modèle particulier de théorie quantique des champs, un cadre théorique qui permet de marier les concepts de la physique quantique avec ceux de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein.

Le prototype de théorie quantique des champs est l’électrodynamique quantique, ou « QED  6», qui décrit l’interaction électromagnétique des électrons et des photons. Aux échelles d’énergie rencontrées dans les accélérateurs de particules d’hier à nos jours, la QED — et la théorie électro-faible — permettent le calcul des grandeurs mesurables au moyen de la théorie des perturbations, une puissante méthode mathématique qui permet une résolution approchée des équations. On dit alors que ces théories quantiques des champs sont dans un « régime perturbatif ».

Une différence notable de la QCD à « basse énergie » est qu’elle est dans un régime non-perturbatif, ce qui interdit a priori d’utiliser la théorie des perturbations 7. Une approche numérique pour l’étude de ce régime non-perturbatif a été développée par Wilson. Toutefois, l’extrême complexité des calculs fait qu’il n’est pas encore possible de prédire ab initio toutes les propriétés d’un noyau atomique (spectre des niveaux d’énergies, modes de désintégration, …). C’est pourquoi certains théoriciens de la physique nucléaire continuent d’utiliser des descriptions moins « fondamentales », comme les théories de champ moyen 8.

Orientation bibliographique

Initiation

  • Luc Valentin, Le monde subatomique : des quarks aux centrales nucléaires, Hermann (1986), ISBN 2-7056-6043-7. Introduction accessible dès le niveau L2.
  • Bernard Bonin (éditeur), Le nucléaire expliqué par des physiciens, EDP Sciences (2012), ISBN 978-2-7598-0671-3, présentation de l’éditeur. Version 2002 : pdf.
  • Frank Close, Nuclear Physics: A Very Short Introduction, Oxford University Press (2015), ISBN 978-0-19-871863-5, présentation de l’éditeur.

Éléments

  • Jean-Louis Basdevant, James Rich et Michel Spiro, Énergie nucléaire, Éditions de l’École Polytechnique (2002), ISBN 978-2-7302-0901-4, présentation de l’éditeur.
  • David Halliday, Introduction à la physique nucléaire, Dunod (1957). Quoique ancien, cet ouvrage — et le suivant de Kaplan — reste intéressant pour la très grande quantité de faits expérimentaux de base qu’il expose.
  • Irving Kaplan, Nuclear Physics, Addison-Wesley (1956).
  • Enrico Fermi, Nuclear Physics, the University of Chicago Press (1950), présentation de l’éditeur. Pionnier de la physique nucléaire, concepteur de la première « pile » atomique fonctionnelle, Enrico Fermi a reçu le prix Nobel de physique 1938.
  • Hans A. Bethe et Philip Morrison, Elementary Nuclear Theory, John Wiley & Sons (2e édition-1956), réédité par Dover (2006), ISBN 978-0-4864-5048-3. Hans Bethe a reçu le prix Nobel de physique 1967« pour ses contributions à la théorie des réactions nucléaires, et particulièrement pous ses découvertes concernant la production d’énergie au sein des étoiles ».
  • Aage Bohr et Ben R Mottelson, Nuclear Structure, W.A. Benjamin (Vol I: 1969 ; Vol. II: 1975), réédité par World Scientific (1998), ISBN 978-981-02-3197-2, présentation de l’éditeur. Les auteurs ont reçu le prix Nobel de physique 1975.

Aspects historiques

  • Emilio Segré ; Les physiciens modernes et leurs découvertes – Des rayons X aux quarks, Fayard (1984). Emilio Segré à obtenu le prix Nobel de physique 1959 — avec Owen Chamberlain — pour sa découverte de l’anti-proton.
  • Abraham Pais ; Inward bound – On matter and forces in the physical world, Oxford University Press (1986), présentation de l’éditeur. Cet ouvrage détaille de façon érudite les développements de la micro-physique, de la découverte des rayons X en 1895 à celle des bosons vecteurs W± et Z0 en 1983. Écrit par un physicien qui a participé à cette aventure, ce livre contient quelques équations.
  • Laurie M Brown et Helmut Rechenberg, The Origin of the Concept of Nuclear Forces, CRC Press (1996), ISBN 978-0-7503-0373-6, présentation de l’éditeur.
  • Edoardo Amaldi, From the discovery of the neutron to the discovery of nuclear fission, Physics Reports 111 (1–4) (1984), 1-331, doi:10.1016/0370-1573(84)90214-X.
Lectures complémentaires
  • Henri Métivier ; Plutonium – Mythes et Réalités, EDP Sciences (2010), présentation de l’éditeur.
  • LANL ; Challenges in Plutonium Science, Los Alamos Science 26 (2000), pdf.
  • LANL ; Radiation Protection and the Human Radiation Experiments, Los Alamos Science 23 (1995), pdf.

Three Mile Island, Tchernobyl, Fukushima

Corium fondu sous le réacteur n°4 de Tchernobyl. On estime que l'accident a libéré environ 100 kg de plutonium, un métal lourd qui présente une radio-toxicité considérable. La demi-vie de l'isotope 242 du plutonium est de 373 300 ans.

  • Thomas Johnson ; La bataille de Tchernobyl, (2006), DVD + vidéo.
  • Jean-Louis Basdevant ; Maîtriser le nucléaire – Sortir du nucléaire après Fukushima, Eyrolles (2e édition-2012), ISBN 978-2-212-13436-0, présentation de l’éditeur. Ancien élève de l’ENS, Jean-Louis Basdevant a été professeur de mécanique quantique à l’École Polytechnique de 1975 à 2005. On peut l’écouter parler de « La question du nucléaire » sur France-Culture.
  • Georges Charpak, Richard L. Garwin et Venance Journé ; De Tchernobyl en tchernobyls, Odile Jacob (2005), ISBN 2-7381-1374-5, présentation de l’éditeur.
  • Hervé Nifenecker ; Le nucléaire : un choix raisonnable ?, EDP Sciences (2011).
  • Société Française d’Énergie Nucléaire : web.
  • Réseau « Sortir du nucléaire » : web.

Hiroshima, Nagasaki

Dome de Genbaku (Hiroshima-1945)

  • Samuel Glasstone et Philip J. Dolan ; The Effects of Nuclear Weapons, United States Department of Defense (1977), pdf.
  • Steven Okazak ; White Light and Black Rain – Hiroshima and Nagasaki, HBO (2007), vidéo.
  • Pamela Caragol Wells ; 24 Hours After Hiroshima, National Geographic Explorer: Season 24, Episode 22 (2010), vidéo.
  • Hiroshima Peace Memorial : web.
  • Nagasaki Atomic Bomb Museum : web.
  • Federation of American Scientists : web.

Notes

  1. Cf. e.g. Robert Dautray et Maurice Tubiana, La radioactivité et ses applications, Que sais-je? 33, Presses Universitaires de France (1996), ISBN 978-2130479081, ainsi que : Marco Durante et Harald Paganetti, Nuclear physics in particle therapy: a review, Reports on Progress in Physics 79 (9) (2016), dx.doi.org/10.1088/0034-4885/79/9/096702. Voir aussi la Société Française de Médecine Nucléaire. ↩
  2. Les nucléons (neutrons et protons) sont les particules observées à basse énergie. On pense que les nucléons sont des états liés de quarks et de gluons, ces objets fondamentaux de la théorie n’apparaissant jamais individuellement sous la forme de particules libres (sauf dans une certaine phase appelée « plasma de quark et de gluons »). Cette « hypothèse du confinement » reste toujours à démontrer rigoureusement à partir de la QCD – cette démonstration étant susceptible de vous rapporter un millions de $$ ; cf. Clay Mathematics Institute ; Quantum Yang-Mills Theory, Millennium Prize (2000), en ligne. ↩
  3. QCD pour « Quantum ChromoDynamics ». ↩
  4. Patrick Aurenche ; La QCD et son histoire : partons d’un bon pied!, École Joliot-Curie de Physique Nucléaire (2005), pdf ↩
  5. Olivier Pène ; QCD sans peine, École Joliot-Curie de Physique Nucléaire (2005), pdf. ↩
  6. QED pour « Quantum ElectroDynamics ». ↩
  7. La QCD possède elle aussi un régime perturbatif qui, contrairement à celui de la QED, est situé à « haute énergie ». Ce comportement paradoxal conduit à la propriété dite de « liberté asymptotique » découverte par David Gross, David Politzer et Franck Wilczek. Ces trois physiciens théoriciens ont partagé le prix Nobel de physique 2004. ↩
  8. Denis Lacroix, Review of mean-field theory, École Joliot-Curie de Physique Nucléaire (2011), pdf. ↩

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