Particules subatomiques et composants de l'atome

Particule subatomique (subatomic particle)

Une particule subatomique désigne une particule plus petite qu’un atome. Parmi les particules subatomiques, on trouve des particules composites constituées de particules plus petites, ainsi que des particules élémentaires considérées comme indivisibles. En génie nucléaire, les particules suivantes sont particulièrement importantes :

• Hadrons
  • Baryons
    • Nucléons
      • Proton
      • Neutron
• Leptons
  • Électron
  • Positron
  • Neutrino

Le terme ‘lepton’ vient du grec ‘λεπτός’, signifiant petit et mince. Ce nom a été donné à l’époque car leur masse était considérée comme plus faible que celle des autres types de particules élémentaires. Cependant, le tauon, découvert dans les années 1970, est un lepton dont la masse est proche de 1,9 fois celle du proton ou du neutron, montrant que les leptons ne sont pas nécessairement légers.

Électron & Positron

• Masse au repos : $m_e = 9,10939 \times 10^{-31} \text{kg}$
• Charge électrique : $e = 1,60219 \times 10^{-19} \text{C}$

Il existe deux types d’électrons : $e^-$ (électron négatif ou negatron) avec une charge négative, et $e^+$ (positron) avec une charge positive. Ces deux particules ont des propriétés identiques à l’exception du signe de leur charge. Généralement, le terme “électron” seul fait référence à l’électron négatif.

Dans certaines conditions, lorsqu’un positron et un électron négatif entrent en collision, les deux électrons s’annihilent et deux photons sont émis. Ce processus est appelé annihilation électron-positron, et les photons résultants sont appelés rayonnement d’annihilation.

Source de l’image

• Auteurs : Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
• Licence : GFDLv1.2

Proton

• Masse au repos : $m_p = 1,6726 \times 10^{-27} \text{kg}$
• Charge électrique : + $e = 1,60219 \times 10^{-19} \text{C}$

Il possède une charge positive de même amplitude que celle de l’électron.

Neutron

• Masse au repos : $m_n = 1,674929 \times 10^{-27} \text{kg}$
• Charge électrique : $0$

Sa masse est légèrement supérieure à celle du proton et il est électriquement neutre. En dehors du noyau atomique, il n’est pas stable et se désintègre en proton en émettant un électron et un antineutrino électronique, un processus qui dure en moyenne environ 12 minutes.

Neutrino

• Masse au repos : très faible (valeur exacte inconnue)
• Charge : $0$

On pensait à l’origine que sa masse au repos était nulle, mais en 1998, l’équipe de recherche Super-Kamiokande au Japon a démontré qu’il possède une masse très faible mais non nulle. Il existe plusieurs types de neutrinos, mais en réaction nucléaire, on considère principalement le neutrino électronique et l’antineutrino électronique, généralement traités comme un seul type.

Structure de l’atome et du noyau atomique

\[^A_Z X \ (\text{A : nombre de masse, Z : numéro atomique, X : symbole de l'élément})\]

• L’atome est composé d’un nuage d’électrons et d’un noyau central
• Un atome neutre non ionisé possède autant d’électrons en orbite autour du noyau que de protons
• Les électrons déterminent les propriétés chimiques et le type d’élément
• Le noyau atomique est composé de nucléons (protons et neutrons) liés par la force nucléaire forte, qui surmonte la répulsion électrique
• Numéro atomique : nombre de protons dans le noyau, noté $Z$
• Charge totale du noyau : +$Ze$
• Nombre de neutrons : nombre de neutrons dans le noyau, noté $N$
• Nombre de masse ou nombre de nucléons : somme du nombre de protons et de neutrons. $A=Z+N.$
• Nucléide : noyau atomique avec un nombre spécifique de protons et de neutrons

Isotopes, isobares, isotones, isomères

Type	Définition
Isotopes	Nucléides ayant le même numéro atomique mais un nombre de neutrons différent
Isobares	Nucléides ayant le même nombre de masse mais un nombre différent de protons et de neutrons
Isotones	Nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un numéro atomique différent
Isomères	Noyaux atomiques du même nucléide mais dans un état métastable dû à l’excitation d’un ou plusieurs nucléons