Quand le noyau émet ses constituants
Un noyau radioactif n’émet pas ses constituants parce que sa stabilité, même temporaire, implique que ceux-ci soient liés. Dans ces conditions, leur émission nécessite un apport d’énergie et ne peut se produire spontanément. Cette règle admet cependant des exceptions que nous allons examiner ci-dessous.
La radioactivité proton
Il s’agit tout d’abord de la radioactivité par émission de protons, désignée par le raccourci « radioactivité proton ». Un tel mode de radioactivité était prévisible – et avait été prévu- car son mécanisme s’apparente de très près à celui de la radioactivité a. Il concerne, naturellement, des noyaux excédentaires en protons, et de ce fait est en compétition directe avec la radioactivité (3+ et la capture électronique. Rappelons tout d’abord que le puits de potentiel qui retient les protons à l’intérieur des noyaux est creusé à partir du sommet d’une colline qui représente l’énergie de répulsion électrostatique de chacun de ces protons par le reste du noyau. À l’intérieur de ce puits, les protons occupent des niveaux dont l’énergie croît à partir de celle qui correspond au fond du puits. Il peut se produire que l’un des protons du noyau se trouve placé sur un niveau d’énergie bien inférieure à celle du sommet de la colline, mais supérieure à celle qui correspond aux protons libres à l’extérieur du noyau. Dans ces conditions, seule la présence d’une barrière de potentiel l’empêche de s’évader. Mais, telle la particule alpha placée dans une situation identique, c’est par effet tunnel que ce proton sera finalement émis162. Comme dans la radioactivité a, la désintégration par émission de proton se produit alors avec une période radioactive bien définie qui traduit le fait que la particule possède une probabilité constante par unité de temps de s’échapper par effet tunnel. Encore faut-il que cette probabilité soit supérieure ou comparable à la probabilité d’émission d’un positon par radioactivité β+. Cette condition impose une sélection sévère et seuls quelques uns parmi les milliers de noyaux instables connus ou prévus satisfont ce critère.
La radioactivité proton a été découverte en 1970, à Berkeley par Joseph Cemy et ses collaborateurs sur le noyau 53mCo, qui est un isomère nucléaire du 53Co, c’est-à- dire un état excité de longue durée de vie de ce noyau. De tels états se désexcitent en général par radioactivité gamma . Cependant, pour celui-ci, les règles de la mécanique quantique interdisent ce type de transition. Le cobalt 53m se désintègre donc majoritairement par radioactivité (β+, en donnant naissance au fer 53, mais il possède aussi une faible probabilité (1,5 %) de se transformer en fer 52 en émettant un proton de 1,57 MeV. Sa période de décroissance radioactive, qui résulte de l’ensemble de ces deux modes de désintégration, est de 0,25 seconde.
Des neutrons « différés »
Il faut remarquer qu’un neutron ne peut en aucun cas se trouver dans une situation identique à celle que nous venons de décrire pour les protons. En effet, comme les neutrons ne sont pas chargés, le puits de potentiel qui leur correspond est directement creusé à partir de l’énergie zéro . Dès qu’un neutron se trouve promu dans un état d’excitation correspondant à une énergie positive, aucune barrière ne le retient à l’intérieur du noyau et il s’échappe immédiatement. Ce phénomène se produit au cours de réactions nucléaires comme la fission, par exemple, et conduit à l’émission de ce que l’on appelle des neutrons « prompts ».
La radioactivité « deux-protons »
Enfin, pour terminer cette partie, signalons la possibilité de radioactivité par émission simultanée de deux protons. Par suite d’un phénomène quantique d’appa- riement des nucléons à l’intérieur des noyaux, il peut se trouver que, dans un noyau très riche en protons, ces derniers soient tous liés au noyau, mais qu’une paire de protons soit non liée. Cela signifie qu’il faut fournir de l’énergie au système pour arracher un seul de ces protons au noyau, mais que le système gagne de l’énergie si les deux en sont extraits simultanément. En d’autres termes la masse du noyau ZAX est inférieure a celle de l’ensemble constitué du noyau z _ 1Y et d’un proton, mais supérieure a la somme des masses du noyau z 2Y’ et de deux protons libres. Par un mécanisme identique à la radioactivité a ou à la radioactivité proton, ces deux protons pourront être émis simultanément. C’est la « radioactivité deux-protons », prédite par le théoricien soviétique Vitalii I. Goldanskii dès 1960 et qui a fait l’objet d’actives recherches expérimentales depuis lors. La difficulté de ces expériences provient, d’une part, du fait que de tels noyaux sont difficiles à produire, et d’autre part de la nécessité de démontrer que les deux protons sont émis simultanément et non l’un après l’autre dans un délai très court. En 2002, après quarante années de recherches infructueuses, des indices très forts en faveur de la radioactivité deux-protons ont été mis en évidence au cours de deux expériences indépendantes, menées respectivement à Caen (France) et à Darmstadt (Allemagne) par des chercheurs allemands, français et polonais. Ces expériences ont montré que le noyau de fer 45, qui est particulièrement riche en protons, se désintègre avec une période radioactive proche de 4 millisecondes et une énergie de désintégration de 1,1 MeV, mais sans émission de positon. Cette absence de positon exclut une radioactivité β+. Pour un noyau aussi loin de la ligne de stabilité, le seul mode de désintégration restant est l’émission d’un ou de deux protons. La radioactivité par émission d’un seul proton est impossible du point de vue énergétique. Il existe donc une très forte présomption en faveur de la radioactivité deux-protons de cet isotope 45Fe, d’autant plus que les valeurs expérimentales de la période radioactive et de l’énergie de désintégration que nous venons de mentionner sont en excellent accord avec les prévisions théoriques. Ce résultat devrait être confirmé prochainement par des mesures directes de la distribution angulaire et de l’énergie des deux protons émis.
Vidéo : Quand le noyau émet ses constituants
Vidéo démonstrative pour tout savoir sur : Quand le noyau émet ses constituants
