Etats d'énergie du noyau - Analogie avec l'atome : des états d'énergie bien définis.

Les noyaux sont a priori très différents des atomes. Cent mille fois plus petits, ils sont plus complexes. La matière nucléaire est compacte alors que l'espace atomique est essentiellement constitué de vide. Pourtant noyaux et atomes présentent des traits communs.

Quand le noyau se trouve dans un autre état, il dispose d'un supplément d'énergie. Il retourne à l'état normal (celui de repos maximum) et se débarrasse de son énergie d'excitation en émettant un photon d'énergie caractéristique, appelé photon γ ou gamma. Ces photons sont de même nature que les photons et rayons X émis par les atomes, mais leur énergie est beaucoup plus grande : couramment de l'ordre du million d'électronvolts (MeV).

Les états d'énergie de la communauté de nucléons assemblée en noyau sont variés. Tout d'abord, on observe, comme dans l'atome, l'existence de couches. Les énergies de liaison des nucléons du noyau ne peuvent prendre qu'une suite de valeurs imposées correspondant à autant de « couches ».

Par exemple, des configurations avec 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 nucléons d'une espèce confèrent une stabilité plus grande au noyau. Il y a analogie avec la stabilité des atomes de gaz rares dont la couche externe est complète. Ces nombres sont dits « magiques ».

Les noyaux sont également gouvernés par les lois de la mécanique quantique qui prennent le pas sur celles de la mécanique classique à l'échelle microscopique. Le noyau ne peut se retrouver que dans un nombre limité d'états. Ces « états » sont caractérisés en premier lieu par une énergie. L'état que le noyau finit par atteindre quand il est livré à lui-même est celui dont l'énergie est minimum : c'est l'état « fondamental ».

En plus de cette structure en couches, le noyau peut avoir des mouvements collectifs qui correspondent à de nouveaux états. Contrairement à l'atome où l'on peut considérer l'état d'un électron individuel (niveau d'énergie, état de rotation), pour un noyau on ne peut considérer que l'ensemble de ses nucléons.

Ainsi la communauté de nucléons peut entrer en vibration. Les énergies de ces vibrations ne peuvent prendre que des valeurs bien déterminées, en vertu de la mécanique quantique.

Enfin, le noyau n’est pas forcément sphérique, il peut se déformer et subir un mouvement de rotation collectif. Les énergies de ces états de rotation ne peuvent également prendre qu'une série de valeurs déterminées. On dit qu'elles sont quantifiées.