How big is Noyau d'uranium?
12 femtomètres!
Un noyau d'uranium est le centre d'un atome d'uranium. Il contient 92 protons et, dans l'uranium 238, la forme la plus courante, 146 neutrons. Il mesure environ 12 femtomètres de diamètre, une valeur égale au double de son rayon de charge, le rayon moyen de sa charge électrique. Un femtomètre est un millionième de milliardième de mètre (10−15 mètre).
Taille
Un noyau n'a pas de bord net, donc sa taille est donnée sous forme de rayon de charge. Pour l'uranium 238, une table des rayons nucléaires tenue par l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) indique 5,857 femtomètres, une valeur connue à mieux que 0,1 % près. Cela donne un noyau de 11,7 femtomètres de diamètre. L'uranium 235, qui a trois neutrons de moins, est très légèrement plus petit : 11,67 femtomètres de diamètre.
Un noyau d'uranium a beaucoup plus de neutrons que de protons. Les protons se repoussent mutuellement du fait de leur charge électrique, tandis que tous les protons et neutrons attirent leurs voisins les plus proches par la force nucléaire forte. Dans un noyau lourd, les neutrons en surnombre sont nécessaires pour empêcher cette répulsion électrique de le disloquer.
Comparaisons de taille
- Un noyau d'uranium 238 est environ 7 fois plus large qu'un seul proton, qui mesure environ 1,7 femtomètre de diamètre, alors qu'il contient 238 protons et neutrons.
- Il est environ 3,5 fois plus large qu'un noyau d'hélium, qui mesure environ 3,4 femtomètres de diamètre, mais il contient environ 60 fois plus de particules.
- Si un noyau d'uranium était agrandi à la taille d'un ballon de basket, un proton à la même échelle mesurerait environ 3,4 centimètres de diamètre, soit à peu près la moitié de la largeur d'une balle de tennis.
- Un atome d'hydrogène, d'environ 0,1 nanomètre de diamètre, est environ 9 000 fois plus large qu'un noyau d'uranium. Un nanomètre est un milliardième de mètre.
Une désintégration très lente
L'uranium 238 est radioactif, mais il se désintègre extrêmement lentement. Sa demi-vie, le temps nécessaire pour que la moitié d'un échantillon se désintègre, est de 4,47 milliards d'années. La Terre a environ 4,54 milliards d'années, si bien qu'environ la moitié de l'uranium 238 présent à sa formation est encore là aujourd'hui.
L'uranium 238 se désintègre en émettant une particule alpha, qui est un noyau d'hélium. S'ensuit une chaîne d'autres désintégrations, qui se termine par du plomb 206. Les géologues utilisent cette chaîne, ainsi qu'une chaîne similaire partant de l'uranium 235, pour déterminer l'âge des roches et celui de la Terre elle-même.
La fission de l'uranium
L'uranium 235 représente environ 0,72 % de l'uranium naturel. Ses noyaux se scindent facilement lorsqu'ils sont frappés par un neutron. Chaque scission libère de l'énergie et davantage de neutrons, qui peuvent ensuite scinder d'autres noyaux dans une réaction en chaîne. Aux États-Unis, les centrales nucléaires maîtrisent cette réaction pour produire de la chaleur destinée à l'électricité, avec un combustible enrichi entre 3 et 5 % d'uranium 235.
Sources
- Nuclear Charge Radii. International Atomic Energy Agency, 2013.
- Live Chart of Nuclides: uranium-238 ground state. International Atomic Energy Agency.
- Uranium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Age of the Earth. U.S. Geological Survey, 2007.
- Nuclear explained. U.S. Energy Information Administration.
- The nuclear fuel cycle. U.S. Energy Information Administration.
- Proton rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Bohr radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
- Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
- Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.