Physique nucléaire
Des quarks aux applications
Claude Le Sech/Christian Ngô
Dunod
Avant-propos
XII
Chapitre 1 Interactions fondamentales et symétries
1
1.1 Quatre interactions1
1.2 Quarks et leptons1
1.2.1 Les leptons2
1.2.2 Les quarks2
1.2.3 Bosons vecteurs4
1.3 La gravitation7
1.4 L'interaction électromagnétique8
1.5 L'interaction forte8
1.6 L'interaction faible9
1.7 Symétries et lois de conservation9
1.7.1 Uniformité et isotropie de l'espace, uniformité du temps9
1.7.2 Symétries discrètes10
1.8 Le boson de Higgs14
Exercices14
Solutions des exercices15
Chapitre 2 Noyaux
17
2.1 Numéro atomique et nombre de masse17
2.2 Isotopes, isobares, isotones19
2.3 Énergie de liaison20
2.4 Masses atomiques21
2.5 Énergie de séparation23
2.6 Nombres magiques23
2.7 Isospin25
2.8 Densité nucléaire25
2.9 Le modèle de la goutte liquide27
2.10 Vallée de stabilité29
2.11 Approche locale des masses30
Exercices30
Solutions des exercices31
Chapitre 3 Modèles de structure nucléaire
33
3.1 Modèles de champ moyen33
3.1.1 L'atome34
3.1.2 Le modèle en couches37
3.2 Gaz parfait de Fermi42
3.3 Approches collectives45
3.3.1 Le modèle de la goutte liquide45
3.3.2 Modèle collectif46
3.3.3 Noyaux déformés46
3.4 Résonances géantes48
Exercices49
Solutions des exercices50
Chapitre 4 La radioactivité
52
4.1 Cinétique de la désintégration52
4.2 Filiation54
4.3 Branchement55
4.4 Désintégration alpha56
4.4.1 Bilan énergétique57
4.4.2 Mécanisme57
4.5 Radioactivité bêta60
4.5.1 Radioactivité ß-61
4.5.2 Radioactivité ß+63
4.5.3 Capture électronique64
4.6 Familles radioactives65
4.7 Émission Gamma68
4.8 Fission70
Exercices73
Solutions des exercices74
Chapitre 5 Réactions nucléaires
76
5.1 Énergie dans le centre de masse77
5.2 Section efficace79
5.3 Paramètre d'impact81
5.4 Ondes partielles82
5.5 Le système du laboratoire83
5.6 Diffusion élastique85
5.7 Cinématique relativiste85
5.8 Réactions directes89
5.9 Résonance91
5.10 Fusion et noyau composé92
5.11 Réactions très inélastiques95
5.12 Collisions d'ions lourds à basse énergie96
5.13 Prééquilibre97
5.14 Spallation, fireball98
5.15 Plasma quarks-gluons99
Exercices100
Solutions des exercices101
Chapitre 6 Interaction des particules ionisantes avec la matière
103
6.1 Interaction des rayons-X et Gamma avec la matière103
6.1.1 Effet photoélectrique105
6.1.2 Effet Compton108
6.1.3 Matérialisation et création de paire électron-positron110
6.1.4 Réactions photonucléaires111
6.1.5 Atténuation des rayons-X et Gamma par la matière111
6.2 Interaction des particules chargées avec la matière113
6.2.1 Diffusion par un potentiel central114
6.2.2 Interaction avec les électrons115
6.2.3 Interaction avec les noyaux atomiques118
6.2.4 Perte d'énergie dans des molécules119
6.2.5 Transfert d'énergie linéique (TEL)119
6.2.6 Rayonnement de freinage120
6.2.7 Parcours de la particule dans le milieu traversé123
6.2.8 Collision inélastique électron-électron124
Exercices126
Solutions des exercices127
Chapitre 7 Dosimétrie
129
7.1 Caractérisation d'un faisceau de particules ionisantes129
7.2 Énergie transférée en un point du milieu par le rayonnement131
7.2.1 Définition de la dose131
7.2.2 Définition de l'exposition132
7.2.3 Définition du Kerma133
7.3 Dosimétrie absolue133
7.3.1 La calorimétrie133
7.3.2 La chambre à ionisation134
7.3.3 Dosimétrie chimique : le dosimètre de Fricke136
7.4 Quelques principes de radioprotection137
7.4.1 Notion d'équivalent de dose pour un organisme137
7.4.2 Protection contre les rayonnements ionisants140
Exercices142
Solutions des exercices144
Chapitre 8 Effets des rayonnements en biologie
146
8.1 Unités pour les rayonnements ionisants146
8.2 La cellule eucaryote147
8.3 Radiolyse de l'eau et des solutions aqueuses150
8.3.1 Radiolyse de l'eau150
8.3.2 Radiolyse d'une solution aqueuse de molécules biologiques151
8.4 Dénombrement des coupures de l'ADN en solution152
8.5 Effets du rayonnement sur les cellules154
8.6 Radiosensibilité des cellules155
8.7 Les courbes de survie cellulaire155
8.8 Paramètres modifiant la mortalité cellulaire par irradiation160
8.8.1 Influence du débit de dose160
8.8.2 Rôle du TEL160
8.9 Radiosensibilisateurs et radioprotecteurs160
8.10 Effet à court terme de l'irradiation corps entier161
8.11 Effets somatiques des rayonnements ionisants162
8.12 Modification non spécifique de la durée de la vie induite par les
rayonnements163
8.13 Dommage sur l'embryon165
8.14 Effets sur les générations futures166
Exercices166
Solutions des exercices167
Chapitre 9 Applications à la médecine
169
9.1 Imagerie par Résonance Magnétique169
9.1.1 Généralités sur l'IRM169
9.1.2 Principe de fonctionnement de l'IRM170
9.1.3 Reconstruction d'une image par la transformée de Fourier179
9.2 Utilisation des traceurs radioactifs183
9.2.1 Traceurs en biologie et en médecine183
9.2.2 Imagerie184
9.2.3 Thérapie par rayonnements ionisants externes187
Exercices191
Solutions des exercices193
Chapitre 10 Réacteurs nucléaires
194
10.1 La fission, source d'énergie194
10.2 Oklo et les réacteurs naturels197
10.3 Noyaux fissiles, noyaux fertiles197
10.4 Produits de fission et neutrons198
10.5 Réacteurs à neutrons lents, réacteurs à neutrons rapides199
10.5.1 L'eau lourde199
10.5.2 Les réacteurs à neutrons rapides200
10.6 Masse critique201
10.7 Interaction des neutrons202
10.8 Principe d'un réacteur nucléaire202
10.9 Modération203
10.10 Neutrons retardés205
10.11 Contrôle de la puissance205
10.11.1 Barres de contrôle205
10.11.2 Poisons neutroniques206
10.11.3 Effet Doppler206
10.11.4 Coefficient de vide206
10.11.5 L'effet xénon206
10.11.6 Puissance résiduelle207
10.12 Enrichissement207
10.13 Déchets nucléaires208
10.14 Fusion thermonucléaire210
10.15 Armes nucléaires212
10.15.1 Bombe A212
10.15.2 Bombe H213
10.15.3 Autres armes nucléaires213
Exercices214
Solutions des exercices215
Chapitre 11 Accélérateurs, détecteurs et applications non
médicales
216
11.1 Accélérateurs de particules217
11.1.1 Accélérateurs à courant continu218
11.1.2 Accélérateurs à tension alternative218
11.1.3 Collisionneurs222
11.1.4 Faisceaux secondaires222
11.2 Détection de particules223
11.2.1 Détecteurs à gaz224
11.2.2 Détecteurs à scintillation227
11.2.3 Détecteurs semiconducteurs228
11.2.4 Autres détecteurs228
11.3 Applications industrielles229
11.3.1 Traceurs229
11.3.2 Production de radio-isotopes230
11.3.3 Radiographies nucléaires230
11.3.4 Jauges radiométriques231
11.3.5 Analyse par activation232
11.3.6 Stérilisation232
11.3.7 Ionisation des gaz233
11.4 Datation233
11.5 Sources d'énergie235
Exercices236
Solutions des exercices237
Bibliographie
239
Constantes
243
Index
245