Cet article fait suite à :
la radioactivité, histoire et découvreurs 1/2,
la radioactivité, histoire et découvreurs 2/2,
la radioactivité – Une histoire d’atomes.

Pour les moins scientifique d’entre vous, il est préférable de relire les précédents articles avant d’entamer celui ci.

Stabilité nucléaire et origine de la radioactivité
Sur plus de 3000 nucléides connus, seuls 287 sont stables. Les autres se transforment spontanément avec émission de particules et, pour la plupart, de rayonnements électromagnétiques. Ces atomes instables vont tendres vers un état stable en se transformant spontanément; c’est la définition même de la radioactivité.

Note : un radionucléide est un isotope radioactif (³H, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs,…) mais un radioélément est un élément dont tous les isotopes sont radioactifs comme le plutonium par exemple.

Alors, pourquoi certains noyaux sont stables et d’autres non ?

Ces notions trouvent leurs origines dans les énergies de liaison qui lient les nucléons entre eux. Comme nous l’avions décrit dans le précédent article, les noyaux sont composés de protons et de neutrons. Si la force coulombienne (électrostatique) prédominait à l’intérieur du noyau, et étant donné que les protons sont de charge électrique positive et les neutrons de charge électrique neutre, aucun noyau ne pourrait être stable. Il existe donc une force d’interaction plus puissante qui permet d’assurer la stabilité de l’ensemble. Ce phénomène est, historiquement, appelé interaction forte bien qu’il faille maintenant plutôt l’appeler force nucléaire. Cette force assure la cohésion des noyaux atomiques. Le degré de stabilité de l’ensemble est mesuré grâce l’énergie de liaison des nucléons du noyau (directement tirée de la relation E=Mc² d’Albert Einstein). De cette manière, il est facile de d’obtenir pour chaque noyau le ratio “énergie de masse du noyau” sur “nombre de nucléons (protons et neutrons)”.

Courbe d’Aston (Source)

L’énergie de liaison par nucléon a donc tendance à croitre très rapidement avec la taille du noyau pour atteindre un maximum pour les noyaux ayant une cinquantaine de nucléons. Le maximum est atteint avec le nickel. Cette énergie a ensuite tendance à décroitre lentement, en restant au alentour de 8 MeV.
Il est particulièrement intéressant de noter que certains noyaux comme l’hélium ⁴He ont des énergies de liaison par nucléon bien supérieur à leurs voisins directs.

L’électron volt: en physique, l’électronvolt (symbole eV) est une unité de mesure d’énergie. Sa valeur est définie comme étant l’énergie cinétique d’un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d’un volt. Un électron-volt est donc égal à environ 1,602 176 53×10^-19 joule. C’est une unité hors système international (SI) dont la valeur est obtenue expérimentalement (dans le système international, l’énergie s’exprime en joules (J)). On utilise l’électron-volt notamment en physique des particules pour exprimer les niveaux d’énergie rencontrés dans les accélérateur de particules et la fusion thermonucléaire.

Cependant, la courbe d’Aston prend en compte le nombre de nucléons de chaque noyau mais sans tenir compte de la répartition des protons et des neutrons. Or la proportion de proton et de neutron dans un noyau est intimement lié à la stabilité du noyau qu’ils composent. En partant des énergies de liaison et en la portant en fonction du nombre de protons (Z) et de neutrons (N) nous obtenons une représentation en trois dimensions :

Vallée de la stabilité (Source)

Les noyaux les moins liés, et donc les moins stables, sont situés sur les “pentes” alors que les noyaux les plus stables, donc plus liées, sont, eux, au fond de la vallée. Cette figure, appelée “vallée de la stabilité”, est souvent représentée sur un plan “plat” :

Vallée de la stabilité

Pour les noyaux les plus légers, la stabilité est obtenue lorsque le nombre de proton (Z) est égal au nombre de neutrons (N). Puis, les noyaux plus lourds, la stabilité est obtenu malgré un excédent de neutrons par rapport au proton. La fin de la vallée de stabilité est atteinte avec le bismuth 209 (²⁰⁹Bi) composé de 83 protons et 126 neutrons. Cet atome est le dernier atome stable, au delà tous les noyaux sont instables.

Les transformations nucléaires
Pour devenir stable, les noyaux n’ont donc pas d’autre choix que de perdre de l’énergie par l’émission d’une ou de plusieurs particules (désintégration) ou rayonnements électromagnétique (désexcitation). La désintégration implique une modification de la structure du noyau, alors que lors de la désexcitation l’énergie est libérée sans modification de la structure.

Transformation du noyau – Désintégration alpha
La désintégration alpha consiste en l’émission par un noyau “lourd” d’un noyau d’hélium (⁴₂He) noté α

Désintégrations radioactives – Désintégration alpha (Source)

Afin d’obéir aux lois physiques générales de conservation de la charge électrique et de l’énergie, l’émission d’une particule alpha s’accompagne forcément pour le noyau initial d’une perte de deux protons et deux neutrons et d’énergie sous forme d’énergie cinétique :

Transformation du noyau – Désintégration bêta moins
La désintégration bêta moins est caractéristique des noyaux ayant un excès de neutrons. Elle consiste à la transformation d’un neutron du noyau en proton et s’accompagne de l’émission d’un électron (e^-) dit particule bêta moins noté β^- et d’un antineutrino ν_e.

Désintégrations radioactives – Désintégration bêta moins (Source)

Note : le neutrino (et anti-neutrino) est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. Il fut “inventer” en 1930 par Wolfgang Ernst Pauli, pour pouvoir expliquer le spectre continu en énergie des particules émissent lors la désintégration bêta et de satisfaire le principe de conservation de l’énergie.

La désintégration bêta moins peut s’écrire sous la forme :

Transformation du noyau – Désintégration bêta plus
La désintégration bêta plus est caractéristique des noyaux ayant un excès de protons. Elle consiste à la transformation d’un proton du noyau en neutron et s’accompagne de l’émission d’un positron (e⁺) dit particule bêta plus noté β⁺ et d’un neutrino ν_e.

La désintégration bêta plus peut s’écrire sous la forme :

Transformation du noyau – Désexcitation gamma
La désexcitation γ se produit suite à désintégration alpha et bêta. Le plus souvent, après ces désintégrations, le noyau, dans un état excité subit des réarrangements, il libère alors cet excès d’énergie sous forme d’une ou plusieurs onde électromagnétique : c’est la désexcitation gamma.

Désexcitation gamma (Source)

Le rayonnement gamma, noté γ, est un rayonnement électromagnétique (photos) de haute énergie (supérieure à la centaine de keV).