Modes de désintégrations
(Figure : vetopsy.fr)
les masses avant et après la collision sont identiques,
l'énergie cinétique totale n'est pas conservée et une partie provoque l'excitation du noyau qui doit se relaxer en général par la désintégration alpha, beta ou gamma avec un recul du noyau.
La masse importante de la particule $\alpha$ réduit sa vitesse, i.e. son énergie cinétique associée qui constitue l'essentiel de l'énergie de cette radioactivité.
L'énergie de cette radioactivité est < à 10 MeV (5,4 MeV en général : vitesse de 15300 km/s, 5% de la vitesse de la lumière). La vitesse du recul du noyau père (A > 210) ne le fait reculer que de l'ordre de 280 km/s.
Leur pénétration est faible (quelques centimètres dans l'air).
Ces particules alpha interviennent dans :
Rayonnement ou radioactivité alpha
(Figure : vetopsy.fr)
1. la radioactivité alpha d'éléments lourds comme ceux avec 210 nucléons ou plus (uranium ou radium par exemple).
L'interaction nucléaire forte, de portée limitée (1 fentomètre), peut à peine contrebalancer la force électromagnétique entre les protons. L'émission de protons ou de particules avec un nombre impair de nucléons violerait cette loi.
l'énergie de liaison élevée de la particule $\alpha$ : cette énergie provient du noyau lui-même (5,4 MeV), alors qu'il en faut 6,1 MeV pour émettre un proton (calcul pour l'uranium 232).
Cette énergie de désintégration est inférieure à la barrière de potentiel de l'interaction nucléaire et il faut environ 25 MeV pour l'échappement.
Effet tunnel
(Figure : vetopsy.fr)
Ce processus est possible par le mécanisme du l'effet tunnel développé de manière indépendante par George Gamow (1904-1968) et Ronald Wilfred Gurney (1898-1953) et Edward Condon (1902-1974) en 1928 (deux bonnes explications en video : 1 et 2)
La particule alpha peut être considérée comme indépendante dans un noyau et en mouvement constant, mais maintenue par les forces nucléaires.
La probabilité d'échappement dans les éléments est faible et leur demi-vie est souvent longue (mécanisme) : le thorium-232 et l'uranium-238 se désintègrent en milliards d'années et le radium-226 en 1600 ans.
La loi empirique de Geiger-Nuttall permet de relier la demi-vie d'un radio-isotope à l'énergie de ses particules alpha.
1. En plus de l'émission d'un électron, un neutron se transforme en proton : ce processus intervient dans des atomes à excès de neutrons et produit des isotopes stables (cf. vallée de la stabilité).
Après la découverte des quarks, la désintégration du neutron implique la transformation d'un quark d en un quark u, en faisant intervenir un boson $W^-$ : $d\;\rightarrow\;u+W^-\rightarrow\;e^-+\bar\nu_e$.
2. Comme l'énergie est partagée entre les trois particules, le spectre électronique est continu.
La masse du noyau père est plus grande que celle du noyau fils : c'est le cas de l'exemple ci-contre.
Rayonnement gamma (Figure : vetopsy.fr)
L'électron émis est ionisant pour les atomes voisins qui doivent réarranger leurs couches électroniques : on peut même assister à la sublimation d'atomes à la surface.
Dans les étoiles
Dans les étoiles massives, lorsque la nucléosynthèse arrive au stade de production du nickel par fusion du silicium, $^{56}_{28}Ni$ est instable et se désintègre par radioactivité beta+ (β+) :
Ce processus intervient dans des atomes à excès de protons comme dans la désintégration beta+ (β+) avec laquelle elle entre en compétition.
Radioactivité β+ (Figure : vetopsy.fr)
D’un point de vue énergétique, cette dernière ne peut avoir lieu que si la masse du noyau père est supérieure d’au moins 1,022 MeV/c² à la masse du noyau fils (calculs).
1. En plus de l'émission d'un positron, un proton se transforme en neutron : ce processus intervient dans des atomes à excès de protons et produit des isotopes stables (cf. vallée de la stabilité).
$p\;\rightarrow\;n\;+\;e^++\nu_e$.
Cycle CNO-I
(Figure : vetopsy.fr d'après Borb)
La désintégration du proton implique la transformation d'un quark u en un quark d, en faisant intervenir un boson $W+$ : $p\;\rightarrow\;u+W^+\rightarrow\;e^++\nu_e$.
2. Comme l'énergie est partagée entre les trois particules, le spectre électronique est continu.
La masse du noyau père est plus grande que celle du noyau fils à laquelle elle ajoutée 2 masses électroniques : cette désintégration est en compétition avec la capture électronique (calculs).
On peut prendre comme exemple : $^{18}_{\,\,9}F\rightarrow\,^{18}_{\,\,8}O+\;e^++\nu_e$.
pour le cycle CNO-II : $^{16}_{\,\,8}O\rightarrow\,^{17}_{\,\,9}F$
Dans la nucléosynthèse stellaire, cette transformation de proton en neutron est rapide et survient avant qu'un autre neutron puisse être capturé (d'où le terme lent pour ce processus de capture).
l’éjection d’un proton du noyau depuis un état d’énergie très excité, qui peut se produire pour n’importe quel noyau ;
Fusion nucléaire
(Figure : vetopsy.fr)
un mode de décroissance radioactive, qui ne concerne que les nucléides très déficients en neutrons, et à un nombre impair de protons, autrement dit proches de la limite de stabilité proton.
L'émission de neutrons est une réaction radioactive par laquelle un isotope instable perd spontanément un neutron.
Par exemple : $^4_2He\rightarrow\;^3_2He$
Le rayonnement neutronique est plus pénétrant que les rayonnements alpha ou beta, et dans certains cas plus pénétrants que le rayonnement gamma qui sont ralentis dans les atomes de Z élevé.
Ce rayonnement neutronique est un rayonnement ionisant qui résulte :
deux bonnes explications en video : 1 et 2)
mécanisme) : le thorium-232 et l'uranium-238 se désintègrent en milliards d'années et le radium-226 en 1600 ans.
