Modèle standard des particules
Réactions nucléaires

Classification

On en compte plusieurs catégories de réactions nucléaires :

1. la fusion, i.e. des noyaux fusionnent ;

2. la fission, i.e. des noyaux se brisent en plusieurs fragments ;

3. la radioactivité, i.e. un noyau émet une ou plusieurs particules ;

• la radioactivité alpha (α), i.e. il émet un atome d'hélium 4 ($^4_2He$)
• la radioactivité bêta (β), i.e. il émet une particule $\beta$ :
  • dans la radioactivté bêta- (β^-), un électron (particule β^-) et un antineutrino électronique ($\overline\nu_e$) ;
  • dans la radioactivité beta+ (β⁺), un positron (particule β⁺) et un neutrino électronique ($\nu_e$) ;
• la radioactivité gamma (γ), i.e. le noyau perd son énergie par un rayonnement électromagnétique de haute énergie ;
• l'émission de protons,
• l'émission de neutrons.

4. La photodésintégration consiste en l'interaction entre un rayon gamma (γ) de très haute énergie avec un noyau atomique.

• Le noyau atomique se désexcite de différentes manières : réémission de rayons gamma, émission de particules, fission... L'excitation produit souvent des particules alpha ( $^4_2He$), des neutrons ou des protons.
• La photodésintégration est endothermique pour les noyaux plus légers que le fer ($^{56}_{26}Fe) et exothermique pour les noyaux plus lourds.

La photodésintégration est en partie responsable de la nucléosynthèse par le processus p pour produire des noyaux p riches en protons.

5. la spallation (" to spall ", produire des éclats), i.e. des particules légères (neutrons ou protons) sont envoyées sur un noyau cible et expulsent un ou plusieurs nucléons de ce noyau, en produisant des fragments plus petits.

• Ce processus permet d'obternir des sources de neutrons dans les accélérateurs (European Spallation Source, ISIS neutron source, Spallation Neutron Source et SINQ).
• Les rayons cosmiques (protons en particulier) sont à l'oeuvre lors de la nucléosynthèse spallative.

6. la multifragmentation décompose un noyau en plus de deux noyaux ( Voir bouillir les noyaux atomiques avec INDRA).

Certaines réactions nucléaires sont des transmutations (ou mues atomiques), i.e. transformations d'un élément chimique en un autre.

Fusion

La fusion nucléaire, dite parfois fusion thermonucléaire, est un processus où deux noyaux atomiques légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd.

• La masse du nouvel atome obtenu par la fusion est inférieure à la somme des masses des deux atomes légers.
• Elle dégage des quantités colossales d'énergie issu de l'attraction des nucléons par l'interaction forte (cf. énergie de liaison nucléaire) transformée en chaleur $(E=mc^2)$.

Les réactions principales sont :

• $^2_1D\;+\;^2_1D\;\rightarrow\;^3_2He\;+\;n\\\quad(0,82+2,45\;MeV)$
• $^2_1D\;+\;^2_1D\;\rightarrow\;^3_1He\;+\;^1_1H\\\quad(1,01+3,03\;MeV)$
• $^2_1D\;+\;^3_1H\;\rightarrow\;^4_2He\;+\;n\\\quad(3,52+14,06\;MeV)$
• $^2_1D\;+\;^3_2He\;\rightarrow\;^4_2He\;+\;^1_1H\\\quad(3,67+14,67\;MeV)$

Ces fusions sont à l’œuvre de manière naturelle dans la plupart des étoiles de l'Univers (cf. nucléosynthèse stellaire).

Fission

La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (à grand nombre de nucléons) est divisé en plusieurs nucléides plus légers.

On peut prendre comme exemple l'uranium 235 :

$^{235}_{\,\,92}U\;+\;^1_0n\;\rightarrow\;^{93}_{36}Kr\;+\;^{140}_{\,\,56}Ba\;+3\;^1_0n\;+E$

La fission nucléaire se traduit donc par :

1. l'émission de neutrons (en général deux ou trois) qui, à leur tour, causent la fission d'un autre noyau… : on nomme ce processus une réaction en chaîne : ces neutrons sont dits " prompts " ;

2. un dégagement d'énergie très important, environ 200 MeV par atome fissionné contre quelques eV seulement lors de réactions chimiques ;

3. par la création de produits de fission, nucléides en général instables qui possèdent un excès de neutrons qui seront expulsés du noyau.

En général, c'est la radioactivité bêta- (β^-) qui est à l'oeuvre :

• par exemple : $^{93}_{36}Kr\;\rightarrow\;^{93}_{37}Rb\;\rightarrow\;^{93}_{38}Sr\;\rightarrow\;^{93}_{39}Y\;\rightarrow\;^{93}_{40}zr\;\rightarrow ^{93}_{41}Nb$ qui est stable ;
• $^{140}_{\,\,56}Ba\;\rightarrow\;^{140}_{\,\,57}La\;^{140}_{\,\,58}Ce$ qui est stable.

Toutefois, on peut assister à une émission directe de neutrons dits " retardés ".

Remarque : l'absorption d'un rayon gamma peut provoquer une photofission.

Radioactivité ou désintégration