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Deux mondes qui communiquent : matière et énergie

Vous êtes ici : » » Deux mondes qui communiquent : matière et énergie ; écrit le: 30 mars 2012 par lamia modifié le 14 novembre 2014



Les différents types de radioactivité ne sont que la manifestation extérieure des différents moyens à la disposition des noyaux atomiques pour se réarranger. Comprendre la radioactivité, c’est donc saisir la stabilité des édifices nucléaires, constitués de protons et de neutrons et liés par les quatre interactions connues. Le cadre naturel pour décrire la constitution des noyaux est celui de l’expansion de l’Univers. Parce que la température est une condition essentielle à la stabilité des assemblages nucléaires, le refroidissement progressif de l’Univers pendant son expansion a guidé la création des éléments primordiaux (hydrogène, hélium…) et fixe encore aujourd’hui les règles de création de l’ensemble des éléments connus, stables ou instables. Les mises en œuvre de l’énergie nucléaire par l’homme sont des reconstitutions à très petite
échelle de conditions de température et de densité qui ont existé ou existent dans la nature.

Une matière, une énergie, quatre interactions

C’est le rôle des physiciens des particules de nous raconter les trois premières minutes de l’histoire de l’Univers. Cet intervalle de temps correspond aux énergies et aux températures où n’existaient que les particules élémentaires. Les physiciens et les astrophysiciens nucléaires prennent le relais après ce temps de refroidissement brutal, où ne subsistent que les particules élémentaires les plus stables : les protons, les neutrons, les électrons, les photons et les neutrinos*. Ces familles interagissent via quatre forces. Chaque force, ou interaction, correspond à l’échange d’une particule porteuse d’énergie entre deux particules de matière. L’interaction forte* lie les protons et les neutrons entre eux, via une particule éphémère appelée le méson 71*. Le rayon d’action de l’interaction est limité par la masse de ce méson k. En effet, la portée d’une interaction est d’autant plus courte que la masse de la particule d’échange est plus élevée. Les électrons et les neutrinos sont insensibles à l’interaction forte. L’interaction faible* lie toutes les particules entre elles, mais via des particules de masse si élevée que sa portée est extrêmement faible. Ce sera pour nous une interaction ponctuelle, capable de changer les protons en neutrons et inversement, et émettant ou absorbant des électrons et des neutrinos. C’est la seule interaction capable de transmuter des particules élémentaires en d’autres particules. L’interaction électromagnétique* nous est bien connue et donne au monde l’aspect que nous lui connaissons. Elle se fait par l’échange de photons, qui ont une masse nulle, et a donc une portée infinie. Elle est à l’origine des architectures d’atomes* et de molécules, qui ont des tailles très largement supérieures à celles des particules elles-mêmes. A l’échelle des particules, nous sommes faits d’édifices immenses et vides. Les particules chargées (proton et électron) sont les seules concernées par cette force.

L’interaction gravitationnelle* est elle aussi de portée infinie, et c’est elle que Newton a invoquée pour expliquer le mouvement des astres. Elle concerne les particules ayant une masse, soit les protons et les neutrons. La masse de l’électron est trop faible pour que l’interaction gravitationnelle se manifeste nettement, et si le neutrino a une masse, elle est assurément fort discrète. Si la formule d’Einstein E = me2 est une expression populaire, la formule de Boltzmann E = kT n’a pas atteint cette célébrité. Ce sont pourtant les deux formules prises ensemble qui nous permettent de raconter la création de la matière. La première signifie que l’on peut convertir de l’énergie en madère, à condition de disposer de plus d’énergie E que n’en consomme la masse m de la particule créée. La seconde nous dit où trouver de l’énergie. La température T est une forme particulière d’énergie. Ensemble, ces formules nous enseignent que, dans un milieu suffisamment chaud, des particules élémentaires sont constamment créées et annihilées à partir du rayonnement thermique. Inversement, chaque particule a une température en dessous de laquelle elle ne peut plus être créée. Le nombre de particules est alors figé. La création et l’annihilation concernent toujours des paires matière-antimatière* de charges opposées. L’exemple le plus courant est la paire électron négatif-électron positif (ou électronpositon). On appelle nucléons* l’ensemble des protons et des neutrons. Ils sont les acteurs privilégiés de notre histoire, parce que ce sont les seules particules stables de matière. Même cette stabilité si rare est conditionnelle : lorsque le neutron est libre, il se transforme en proton sous l’effet de l’interaction faible en douze minutes, et on trouve même des théoriciens pour prédire l’instabilité du proton ! Décidément, le mythe de la matière éternelle et immuable est mis à rude épreuve…

Solide comme du fer

Les interactions forte, faible et électromagnétique jouent toutes un rôle dans la construction des édifices nucléaires. La quatrième force, l’interaction gravitationnelle, a fourni et fournit encore dans les étoiles et le Soleil l’énergie et la densité de matière nécessaires à la constitution des noyaux ou nucléosynthèse*. Une fois laissés à eux-mêmes, les noyaux utilisent les trois premières interactions pour se débarrasser de leur énergie excédentaire. Ce sont les particules émises pour rééquilibrer les énergies et les charges électriques qui forment les rayons a, fi et y de la radioactivité. Chaque noyau atomique est un assemblage particulier de protons et de neutrons. Sa stabilité résulte pour l’essentiel de la compétition entre l’interaction forte, qui tend à attirer les nucléons les uns contre les autres, et l’interaction électromagnétique, qui ignore les neutrons, non chargés, mais fait se repousser les protons entre eux.
Une fois construit un assemblage de nucléons, les charges électriques positives des protons attirent les électrons de charge négative, jusqu’à former un ensemble électriquement neutre : l’atome. Les protons et neutrons restent collés au centre de l’atome, alors que les électrons décrivent des orbites très éloignées de ce centre, puisque l’interaction électromagnétique agit à longue distance. C’est pourquoi un atome est cent mille fois plus gros que son noyau.
Les règles de destruction des édifices instables sont communes à tous les modes de désintégration : émission de particules a, fi ou y. On ne pourra jamais prédire le moment de la désintégration d’un noyau particulier. On sait, néanmoins, mesurer précisément la probabilité par unité de temps qu’a le noyau de se désintégrer. Pour chaque mode de désintégration possible, on mesure une période radioactive* T1/2 qui est le temps au bout duquel un noyau donné a une chance sur deux d’avoir transmuté en un autre noyau. Cette période ne dépend que du noyau initial et est indépendante de l’environnement physique ou chimique du noyau ou de l’âge de celui-ci. Tout est donc déterminé, et cependant nous ne pouvons rien dire sur le moment précis où aura lieu la désintégration !



Mais la situation réelle est en fait moins incertaine que cela. On a affaire non pas à un noyau isolé, mais à un grand nombre de noyaux identiques, créés dans les mêmes conditions. Les probabilités associées aux grands nombres permettent à la physique de retrouver la parole. On ne dira rien sur un noyau donné, mais on prédira très exactement le nombre de désintégrations par seconde à chaque instant et la décroissance de la population de noyaux. La loi de décroissance s’exprime très simplement : au bout d’une période de temps T1/2, la population est divisée par deux. Après une deuxième période T1/2, la population restante est de nouveau divisée par deux et vaut donc le quart du nombre initial. Les divisions par deux successives amenuisent ainsi rapidement la population, sans jamais l’épuiser. Ainsi, la population est réduite à un millième de la valeur initiale au bout de dix périodes T1/2, et à un millionième au bout de vingt périodes. Cette loi est du type exponentiel décroissant, caractérisée par des divisions constantes à des périodes régulières. La population sera un jour inoffensive, car elle libérera trop peu d’énergie, et sera bien plus tard indécelable, car elle émettra trop peu de particules.
Les périodes sont extrêmement variables selon les noyaux et les modes de désintégration. Elles vont de durées trop courtes pour être détectées (inférieures à la picoseconde) à des durées qui font paraître ridiculement petit l’âge de l’Univers. Ainsi le tellure 128 a une période de 1,5.1024 ans, soit cent mille milliards de milliards de fois l’âge de l’Univers. Il arrive souvent qu’un noyau ait plus d’un mode de désintégration et que le noyau produit soit lui-même encore instable, poursuivant les émissions radioactives selon ses modes propres. Le schéma ci-dessus illustre de telles cascades ou filiations radioactives dans le cas de l’uranium 238. Lorsque nous nous intéressons à l’impact d’une source radioactive sur son environnement, ce qui nous importe est le nombre de particules émises par unité de temps à un moment donné. C’est l’activité de la source. Elle est d’autant plus grande que la population est nombreuse et que la période radioactive est courte. Son unité de mesure est le becquerel* (Bq) et correspond à une désintégration par seconde. Le becquerel est une unité tellement petite que l’on utilise couramment ses multiples : le kilobecquerel (kBq), le mégabecquerel (MBq), le gigabecquerel (GBq), etc. Cette unité remplace depuis 1986 le curie* (Ci). L’activité d’une substance diminue comme la population survivante, c’est-à-dire d’un facteur deux pour chaque période T1/2 écoulée. On note N le nombre de neutrons d’un noyau et Z le nombre de ses protons. Puisque chaque proton est porteur d’une charge électrique positive, Z est le nombre de charges électriques positives du noyau, et aussi le nombre d’électrons de charge négative qui constituent le cortège du noyau dans l’atome électriquement neutre. L’atome ainsi formé occupe la case de numéro Z dans le tableau des éléments chimiques. Le nombre total de nucléons est noté A, et bien sûr A = N + Z. Tant que l’on ne s’intéresse qu’aux relations chimiques d’un atome avec ses voisins, c’est-à-dire aux électrons de sa périphérie, la seule mention de Z ou du symbole chimique suffit à le décrire. Mais, pour un même Z, N peut varier : des noyaux ayant le même nombre de protons et un nombre de neutrons N différent sont des isotopes. Ainsi le noyau d’hydrogène, qui contient toujours un proton et un seul, a plusieurs isotopes : le proton seul est l’hydrogène (hydrogène 1), le deutérium est l’assemblage du proton et d’un neutron (hydrogène 2) et le tritium porte deux neutrons (hydrogène 3). Si les propriétés chimiques des isotopes sont par définition identiques, la variation de N fait aussi se modifier la structure et la stabilité du noyau, et les propriétés radioactives du noyau changent souvent complètement d’un isotope à l’autre. Lorsque l’on parle du noyau, il est donc essentiel de préciser complètement son nom. La dénomination habituelle consiste à faire suivre son nom chimique, par exemple l’uranium, du nombre total de nucléons A = N + Z de son noyau : l’uranium 238. Il existe au moins sept isotopes de l’uranium, tous radioactifs, dont deux sont encore naturellement présents en quantité significative sur Terre : l’uranium 235 et l’uranium 238.
Des noyaux de même N et de Z différent sont des isotones* ; ils ont des comportements chimiques distincts. On appelle isobares* les noyaux de même A. L’interaction forte est la cause essentielle de la stabilité des noyaux. Elle ne suffit pas à lier deux neutrons entre eux, et encore moins deux protons qui se repoussent électriquement. Mais elle permet de constituer un assemblage stable avec un proton et un neutron : c’est le deutérium. Par ajout de nucléons successifs, le lien de l’ensemble va en se renforçant graduellement. La portée de l’interaction est très courte. Les nucléons ont une taille de l’ordre du fermi* (1 fermi = 1 fm = 1 femtomètre = 10’15 m). Or, la relation entre la masse de la particule élémentaire échangée (ici le méson n) et la portée de la force nous dit que la force disparaît au bout de quelques fermis. En somme, l’interaction forte est une sorte de «glu» qui colle légèrement deux billes et, dès que l’on écarte un tant soit peu les billes, la glu cède !

Les deux constructions stables au-delà du deutérium sont l’hydrogène 3 ou tritium (un proton, deux neuirons) et l’hélium 3 (deux protons, un neutron). Si ce n’était l’interaction faible, qui transmute un des neuirons du tritium en protons, la symétrie serait parfaite. Avec quatre nucléons, il n’existe qu’une configuration stable : le noyau d’hélium 4* (deux protons, deux neutrons). Cet assemblage est particulièrement solide, avec un nombre égal de protons et de neutrons. Il est aussi connu sous son nom historique de particule a. L’extrême stabilité de l’hélium 4 se mesure aussi par le faible peuplement des noyaux de masse voisine. Ni l’hydrogène 4 ni le lithium 4 ne sont stables, car ils constitueraient des assemblages trop déséquilibrés entre protons et neutrons. Aucun assemblage de cinq nucléons (A = 5) n’existe, ni de huit nucléons (A = 8). Il est chaque fois plus «rentable» d’émettre quelques particules et de revenir au minimum d’énergie qu’est l’hélium 4. Ainsi le béryllium 8 se désintègre en deux particules a avec une période de 10″16 seconde. Seuls le lithium 6, le lithium 7 et le béryllium 9 parviennent a résister aux sirènes de la transmutation en hélium 4. Au-delà de A = 9, il y a assez de nucléons pour assurer la stabilité, sans retour à l’hélium 4 ou émission de particules a. Comme les nucléons sont d’un naturel liant, chacun cherche à accroître le nombre de ses voisins. Les nucléons de surface d’un noyau peuvent accommoder des partenaires supplémentaires, et le noyau peut grossir. Cela pourrait se poursuivre indéfiniment si la force de répulsion électrique entre les protons chargés ne commençait à faire sentir son effet. Trop chargés en protons, les noyaux deviennent moins I stables. Le point d’équilibre entre l’attraction et laj répulsion correspond au fer : le plus stable de tous lesl noyaux est le fer 56.
Si la fusion* de noyaux légers apporte toujours un gain d’énergie, il faut pour qu’elle ait lieu parvenir à rapprocher deux noyaux, alors que leurs charges électriques tendent à les repousser. Pour vaincre cette] répulsion, appelée barrière coulombienne*, il faut que  les noyaux aient des vitesses relatives très grandes,! c’est-à-dire de très hautes températures. Ces conditions  existent à certains moments dans les fortes concentrations de matière et d’énergie que sont les étoiles, et elles se révèlent difficiles à reproduire de façon contrôlée en laboratoire. La difficulté de la progression vers la stabilité ultime suffit à expliquer l’abondance de tous les! noyaux légers : les noyaux de masse intermédiaire sont! ceux qui se sont arrêtés de fusionner en route, faute del partenaires ou de conditions propices.
L’interaction électromagnétique et l’interaction] faible jouent aussi un rôle dans la recherche dej l’équilibre. Il est rare qu’un noyau soit créé avec l’éner-j gie exacte nécessaire pour assurer la liaison entre ses! constituants. Il est formé dans un état dit excité.] L’énergie supplémentaire est en général évacuée sous forme de photons 7, c’est-à-dire d’énergie électromagnétique. C’est la radioactivité y*. Comme les lois de la mécanique quantique* imposent aux noyaux des niveaux d’énergie précis et distincts, les photons emportent exactement les énergies correspondant aux auts entre niveaux. La valeur précise des énergies des photons émis est caractéristique du noyau émetteur.
Les temps de vie des noyaux excités sont très variables. Si des noyaux excités à haute énergie émettait des photons avec des périodes qui peuvent être extrêmement courtes (10~15 seconde), il arrive aussi que, pour des énergies d’excitation faibles, le noyau ait plus de mal à émettre des photons. Des temps de vie extrêmement longs peuvent alors apparaître (jusqu’à II)20 secondes).
Une fois la paix retrouvée par l’émission de photons, le noyau pourrait rester à son énergie minimale. Ce serait compter sans l’interaction faible, qui lui permet de transmuter pour peu qu’il existe un noyau voisin encore plus stable que lui. Les réactions élémentaires spontanées de l’interation faible, c’est-à-dire :
neutron => proton + électron + antineutrino, proton => neutron + positon + neutrino permettent de transformer des neutrons en protons et vice versa, tout en gardant constant le nombre de nucléons. Ces transformations constituent la radioacti-vité /3*. La possibilité de transformation des nucléons entre eux aide à résoudre une difficulté de construction décrite par un des principes fondamentaux de la mécanique quantique : le principe d’exclusion énoncé par Wolfgang Pauli dit que les neutrons et les protons doivent être comptabilisés séparément. Cela revient à remplir deux réservoirs d’énergie distincts. Or, la dépense d’énergie est réduite au minimum lorsque les réservoirs de neutrons et de protons sont remplis au même niveau. La radioactivité fi est alors l’équivalent quantique du principe des vases communicants. Elle convertit les membres de la population excédentaire en ceux de la population déficitaire, et elle expulse l’énergie gagnée dans cette transmutation, via l’électron et le neutrino.
Le coût en énergie d’une asymétrie entre les j nombres de neutrons et de protons devient rapidement  élevé. Cette énergie d’asymétrie nous fournit la dernière clef majeure pour la construction des noyaux stables, j Nous savions simplement que trop de protons mis ensemble sont instables par répulsion électrique, mais j le nombre de neutrons n’était pas encore fixé. Rien j n’empêchait d’imaginer des couples (N, Z) avec un ! nombre quelconque N de neutrons. Un nombre très j grand de neutrons aurait pu «diluer» les charges électriques dans une grande masse neutre et apporter le 1 complément d’énergie de liaison. Or, on constate sys- j tématiquement un faible écart entre les valeurs de N et I de Z. Ainsi, un élément chimique donné (Z fixé) n’a j pas plus de quelques isotopes (N varie de deux à dix j unités au plus). La valeur optimale de N est très proche j de Z pour les noyaux légers, puis croît au-dessus de Z I pour les noyaux plus lourds. Cette surcharge en neu- j trons reste modérée et compense les effets déstabilisateurs de la répulsion entre protons. Le bilan de ces combats entre les trois interactions est visible sur les schémas p. 28-29. On constate p. 28 Qu’au lieu de peupler au hasard les cases du plan (N,Z) les noyaux connus, stables ou instables, n’en occupent qu’une faible bande. Celle-ci suit d’abord la ligne N = Z pour s’infléchir vers les grandes valeurs de N. Les noyaux stables en investissent une bande • i u ore plus étroite, que l’on appelle la vallée de stabilité. C’est l’équilibre N – Z, via l’interaction faible, qui restreint la largeur de cette bande.
La vallée de stabilité doit son nom à l’analogie de la n i herche de l’énergie minimale avec l’écoulement des ‘ aux en montagne. L’eau ruisselle vers le fond de la vallée, le long des versants. Cela ne l’empêche pas de rester en hauteur, dans un lac d’altitude ou dans de petites cu vettes fournies par la conformation locale du terrain. Sur la carte (N, Z), il y a une vallée principale, qui est plutôt une faille, plus profonde en son milieu qu’en ses extrémités. Du côté des noyaux légers, la pente vers le point le plus bas (fer 56) correspond à la fusion. De même, la pente des noyaux très lourds vers le point bas est parcourue par les mécanismes de radioactivité a*, qui correspondent à des petits pas, et par la fission*, où le noyau se casse en deux noyaux plus petits situés vers le milieu de la carte. Le flanc riche en neutrons de la vallée est celui des émetteurs /3 ‘“, le flanc riche en promus étant parcouru par émission (3+. Le schéma p. 28 donne le profil d’altitude de la val¬lée de stabilité, selon une coupe qui suit le fond de la vallée. C’est l’énergie moyenne de liaison d’un nucléon dans le noyau, donc la stabilité du noyau. La /une où la fusion augmente la stabilité est celle des noyaux légers, alors que ce sont les noyaux lourds qui ont intérêt (en termes d’énergie) à émettre des particules a, ou à fissionner, pour les noyaux les plus lourds. Comme il faut bien trouver l’énergie de liaison quelque part, celle-ci est prélevée sur la masse des constituants. Dans une fusion, le produit final est plus léger que les constituants initiaux, le défaut de masse étant converti en énergie de liaison, en accord avec E = me2. Reine des transformistes, la radioactivité /3 a d’autres particularités surprenantes. Lorsque Henri Becquerel
découvrit les rayons P, il lui était impossible . que ce type de transmutation est le seul à érmétre pas une particule, mais deux : un électron (négatif oui positif) et un neutrino (respectivement d’antimatière ou de matière). Le neutrino étant resté indétectable I pendant encore près de soixante ans, la radioactivité /3 a longtemps posé le problème de la « disparition »d’une partie de l’énergie disponible dans la réaction, puisque la fraction d’énergie emportée par le neutrino échappait à la mesure. En 1931, soit plus de vingt ans avant sa découverte, Wolfgang Pauli émit Phypothèsel de l’existence d’une seconde particule, ce qui préservait le principe de conservation de . Enrico Fermi la baptisa «neutrino», le diminutif rappelant qu’il est fils du neutron: La détection de cette particule élusive, sans charge ni masse et sensible uniquement à l’interaction faible, devait attendre l’avènement de détecteurs extrêmement perfectionnés, qui n’eut lieu qu’en 1953.

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