La radioactivité : Les noyaux lourds

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Les noyaux lourds

Poursuivons notre exploration du fond de la vallée de] stabilité puisqu’il y a un maximum de stabilité pour] A – 56, pourquoi trouve-t-on dans la nature des noyaux plus lourds que le fer ? Pourquoi ne se sont-ils pas aussitôt désintégrés ?

Il n’est pas si facile pour un noyau de se désintégrer,» même si le bilan d’énergie est favorable. Le mode de j rupture le plus fréquent des noyaux très lourds est de se casser en un tout petit bout (une particule a) et un très gros bout (le reste). C’est la radioactivité a. L’extrême stabilité de l’hélium 4, ou particule a, fait qu’on peut le considérer comme préformé dans le noyau avant même son émission. De même que la fusion est freinée par la barrière coulombienne, l’émision de la particule a hors du noyau est réglée par la inversée, de l’intérieur vers l’extérieur, de cette même barrière. Les noyaux lourds sont dans des «lacs d’altitude» au bout de la vallée de stabilité, et la barrière à franchir est la bande de terre qui isole ces lacs. Les variations des périodes de désintégration par radioactivité a sont spectaculaires : elles vont de 10“” seconde à I017 secondes, soit trois milliards d’années. La différence ne tient qu’à une faible variation dans les configurations de niveaux d’énergie.

La répulsion entre les protons peut faire exploser les noyaux, et l’interaction forte retarde ce moment en ajoutant des neutrons en excès. Mais le déséquilibre nitre neutrons et protons finit par atteindre un coût en énergie trop élevé. La compétition entre tous ces effets fixe le point final de la vallée de stabilité, qui se situe au niveau du bismuth 209. Tous les noyaux plus lourds sont radioactifs. Pour ces noyaux très lourds, il existe un autre mécanisme de retour à une plus grande stabilité, qui consiste à se fragmenter en deux morceaux de masse moyenne, de même que le béryllium 8 se scinde en deux particules a. C’est la fission. Là encore, l’interac- uon entre les charges des protons empêche les noyaux lourds de fissionner systématiquement. Si le bilan d’énergie de la fission est largement bénéficiaire dès que le noyau est un peu plus lourd que le fer, le chemin vers cette fission passe toujours d’abord par une déformation du noyau : celui-ci doit d’abord s’allonger, avant de se briser en deux morceaux. Or, la déformation d’une sphère électriquement chargée consomme de l’énergie. Il faut d’abord payer cette énergie de déformation, avant d’être remboursé par legain de la fission. L’existence de cette énergie de déformation favorise les fissions asymétriques : un noyau lourd de A ~ 240 se casse en un «gros bout» de A = 140 Qt un «petit bout» de A ~ 100. En pratique, seuls les noyaux extrêmement lourds fissionnent spontanément. Ils sont dans un deuxième lac d’altitude tout à fait au bout de la vallée de stabilité.

On peut pousser à la fission les noyaux pour lesquels il manque très peu d’énergie pour rejoindre la vallée de stabilité. L’uranium 235 est l’exemple du noyau prisonnier d’une «flaque» peu profonde. Si on lui fournit un neutron, il se transmute en uranium 236, lequel remplit les conditions d’énergie pour fissionner instantanément. La fission se fait en deux gros fragments, plus quelques neutrons libres. Dans un réacteur nucléaire*, ce sont ces neutrons que l’on met à profit pour initier une nouvelle fission sur un autre noyau d’uranium, et la chaîne est ainsi entretenue. Il nous faut maintenant comprendre comment les noyaux de masse comprise entre A = 56 et A = 209 peuvent être créés. L’explication de l’existence de noyaux au-delà de A = 209, dans les lacs d’altitude, demandera encore un autre processus de synthèse particulier.

Comme les noyaux lourds sont électriquement très répulsifs, la seule possibilité ouverte est que la croissance ait continué par capture de neutrons, insensibles à ce champ répulsif. C’est ainsi que l’on passe du fer 56 au fer 57, et ainsi de suite par captures successives de neutrons. L’excès de neutrons a bien entendu une limite, déjà sensible pour le fer 59 qui se transforme en cobalt 59 par émission /i « , avec une période de quarante-cinq jours. La nucléosynthèse des éléments lourds se faisant uniquement par cap-ture de neutrons, elle aboutit nécessairement à un excès de neutrons. La radioactivité f5~ ramène ces noyaux vers la vallée de stabilité. En fait, l’évolution du fer 59 est le résultat d’une compétition : s’il y a suffisamment de neutrons environnants pour que la capture par le fer 59 ait lieu dans les quelques jours qui suivent sa formation, il donne du
fer 60. Sinon, il se transmute en cobalt 59. Ce dernier isotope est stable et a tout loisir d’attendre le passage d’un neutron, pour le capturer et devenir du cobalt 60.

Le schéma p. 33 montre une compétition entre deux voies de production de noyaux à partir du fer 56. La branche de droite correspond à un fort excès de neutrons. Elle n’est parcourue que si le flux de neutrons est assez intense pour remporter la course de vitesse avec la désintégration j3~. Ces branches à fort excès de neutrons sont le seul moyen de créer des noyaux plus lourds que le bismuth, car elles contournent la zone d’instabilité au- delà de A = 209. Le thorium* 232, l’uranium 235 et l’uranium 238 sont les seuls fossiles restant sur Terre des noyaux créés par ces processus. Ces trois isotopes sont d’ailleurs les trois seuls combustibles possibles des réacteurs nucléaires, en raison de leur relative abondance et de leur possibilité de fissionner après capture d’un ou de deux neutrons supplémentaires.