16.1 Caractéristiques du noyau atomique
379
b) Neutron
Le neutron, noté
1
0 n, a une masse m n légèrement supérieure à celle du proton :
m n
m p
= 1,001 378
(16.1.7)
Le neutron possède un moment cinétique
− →
L n , appelé spin du neutron, de nombre
quantique 1/2. Ce moment se déduit de l’interprétation de nombreuses réactions
nucléaires.
Au spin du neutron correspond un moment magnétique
− →
M n de sens opposé à celui
de son moment cinétique ; par convention, on donne à
− →
M n une valeur négative. De
même que pour le proton, on note m n la valeur de la composante de
− →
M n sur un axe :
|m n | = |
− →
M n | z = 1, 9130m N = 0, 966 23 × 10
−26 J T
−1
(16.1.8)
L’existence d’un moment magnétique pour une particule électriquement neutre peut
sembler paradoxale. Mais les neutrons sont constitués eux-mêmes de trois quarks : u,
d, d, dont les charges électriques, en considérant e 0 comme l’unité, sont respectivement 2/3, −1/3, −1/3. Ceci permet de concevoir le moment magnétique du neutron
comme étant dû à des répartitions inégales de charges en mouvement interne.
16.1.2 Spin et moment magnétique d’un noyau
L’ordre de grandeur des atomes, représenté par la distance de probabilité de présence
maximale des électrons au noyau, est de quelques angströms (10
−10 m). Le rayon
des noyaux atomiques est bien inférieur, de l’ordre du femtomètre, soit 10
−15 m. La
masse la plus importante d’un atome étant concentrée dans le noyau, les densités de
celui-ci sont très élevées, de l’ordre de 10
17 kg m
−3 au centre.
Les constituants du noyau possédant chacun un moment cinétique et un moment
magnétique, on peut penser qu’il en sera de même pour l’ensemble des nucléons
formant le noyau. Cependant, la valeur des moments des nucléons ne permet pas
d’en déduire ceux du noyau car les phénomènes en son sein sont complexes, les
forces d’interaction nucléon-nucléon n’étant pas des forces centrales.
À titre d’exemple, considérons le deutéron formé d’un proton et d’un neutron, qui
constitue le noyau du deutérium. Le spin du deutéron est égal à l’unité, somme des
spins de ses constituants, mais son moment magnétique a pour valeur :
m D = 0,857 40m N = 0,433 05 × 10
−26 J T
−1
(16.1.9)
Cette valeur expérimentale ne peut être considérée comme la somme algébrique des
moments magnétiques du proton et du neutron qui vaut :
m p + m n = 0,444 37 × 10
−26 J T
−1
(16.1.10)
car la précision des mesures va au-delà de la cinquième décimale.
379
b) Neutron
Le neutron, noté
1
0 n, a une masse m n légèrement supérieure à celle du proton :
m n
m p
= 1,001 378
(16.1.7)
Le neutron possède un moment cinétique
− →
L n , appelé spin du neutron, de nombre
quantique 1/2. Ce moment se déduit de l’interprétation de nombreuses réactions
nucléaires.
Au spin du neutron correspond un moment magnétique
− →
M n de sens opposé à celui
de son moment cinétique ; par convention, on donne à
− →
M n une valeur négative. De
même que pour le proton, on note m n la valeur de la composante de
− →
M n sur un axe :
|m n | = |
− →
M n | z = 1, 9130m N = 0, 966 23 × 10
−26 J T
−1
(16.1.8)
L’existence d’un moment magnétique pour une particule électriquement neutre peut
sembler paradoxale. Mais les neutrons sont constitués eux-mêmes de trois quarks : u,
d, d, dont les charges électriques, en considérant e 0 comme l’unité, sont respectivement 2/3, −1/3, −1/3. Ceci permet de concevoir le moment magnétique du neutron
comme étant dû à des répartitions inégales de charges en mouvement interne.
16.1.2 Spin et moment magnétique d’un noyau
L’ordre de grandeur des atomes, représenté par la distance de probabilité de présence
maximale des électrons au noyau, est de quelques angströms (10
−10 m). Le rayon
des noyaux atomiques est bien inférieur, de l’ordre du femtomètre, soit 10
−15 m. La
masse la plus importante d’un atome étant concentrée dans le noyau, les densités de
celui-ci sont très élevées, de l’ordre de 10
17 kg m
−3 au centre.
Les constituants du noyau possédant chacun un moment cinétique et un moment
magnétique, on peut penser qu’il en sera de même pour l’ensemble des nucléons
formant le noyau. Cependant, la valeur des moments des nucléons ne permet pas
d’en déduire ceux du noyau car les phénomènes en son sein sont complexes, les
forces d’interaction nucléon-nucléon n’étant pas des forces centrales.
À titre d’exemple, considérons le deutéron formé d’un proton et d’un neutron, qui
constitue le noyau du deutérium. Le spin du deutéron est égal à l’unité, somme des
spins de ses constituants, mais son moment magnétique a pour valeur :
m D = 0,857 40m N = 0,433 05 × 10
−26 J T
−1
(16.1.9)
Cette valeur expérimentale ne peut être considérée comme la somme algébrique des
moments magnétiques du proton et du neutron qui vaut :
m p + m n = 0,444 37 × 10
−26 J T
−1
(16.1.10)
car la précision des mesures va au-delà de la cinquième décimale.