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Quelle est la théorie de la désintégration alpha – Tunnelisation quantique – Définition

La désintégration alpha est un processus de tunnel quantique. Pour être émise, la particule alpha doit pénétrer une barrière de potentiel. Ceci est similaire à la désintégration de l’amas, dans lequel un noyau atomique émet un petit « amas » de neutrons et de protons (par exemple 12C).

Théorie de la désintégration alpha – Tunnelisation quantique

La désintégration alpha  (ou désintégration α et également la radioactivité alpha ) représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Cette transition peut être caractérisée comme:

Alpha Decay - Alpha Radioactivité

Comme le montre la figure, la particule alpha est émise lors de la désintégration alpha.

Parmi la variété de canaux dans lesquels un noyau se désintègre, la désintégration alpha a été l’une des plus étudiées. Le canal de désintégration alpha dans les noyaux lourds et super lourds a fourni des informations sur les propriétés fondamentales des noyaux loin de la stabilité, telles que leurs énergies à l’état fondamental et la structure de leurs niveaux nucléaires.

La désintégration alpha est un processus de tunnel quantique . Pour être émise, la particule alpha doit pénétrer une barrière de potentiel. Ceci est similaire à la désintégration des grappes , dans laquelle un noyau atomique émet une petite « grappe » de neutrons et de protons (par exemple 12 C).

La hauteur de la barrière de Coulomb pour les noyaux de A «200 est d’environ 20-25 MeV . Les particules alpha émises lors de la désintégration nucléaire ont des énergies typiques d’environ 5 MeV. D’une part, une particule alpha 5 MeV entrante est dispersée à partir d’un noyau lourd et elle ne peut pas pénétrer la barrière de Coulomb et se rapprocher suffisamment du noyau pour interagir via la force forte. D’un autre côté, une particule alpha de 5 MeV liée dans un puits de potentiel nucléaire est capable de tunneler cette même barrière coulombienne.

désintégration alpha - tunneling quantiqueEn 1928, George Gamow (et de manière indépendante par Ronald Gurney et Edward Condon ) avait résolu la théorie de la désintégration alpha via le tunnelage quantique. Ils ont supposé que la particule alpha et le noyau fille existaient dans le noyau parent avant sa dissociation, à savoir la désintégration des états quasi-stationnaires (QS). Un état quasi stationnaire est défini comme un état à longue durée de vie qui finit par se désintégrer. Initialement, l’amas alpha oscille dans le potentiel du noyau fille, le potentiel Coulomb empêchant leur séparation. La particule alpha est piégée dans un puits potentiel par le noyau. Classiquement, il est interdit de s’échapper, mais selon les principes (alors) nouvellement découverts de la mécanique quantique, il a une probabilité minuscule (mais non nulle) de «creuser un tunnel» à travers la barrière et d’apparaître de l’autre côté pour s’échapper du noyau . En utilisant le mécanisme de tunneling, Gamow, Condon et Gurney ont calculé la pénétrabilité de la particule α tunneling à travers la barrière de Coulomb, trouver les durées de vie de certains noyaux émetteurs α. Le principal succès de ce modèle a été la reproduction de la loi semi-empirique de Geiger-Nuttall qui exprime les durées de vie des émetteurs α en termes d’énergies des particules α libérées. Il faut noter que d’autres formes courantes de désintégration (par exemple la désintégration bêta) sont régies par l’interaction entre la force nucléaire et la force électromagnétique.

Référence spéciale: WSC Williams. Physique nucléaire et des particules. Clarendon Press; 1 édition, 1991, ISBN: 978-0198520467.

Loi Geiger-Nuttall

La loi de Geiger-Nuttall est une loi semi-empirique qui exprime la durée de vie (demi-vie) de l’émetteur alpha en termes d’énergie de la particule alpha libérée. En d’autres termes, il déclare que les isotopes à courte durée de vie émettent des particules alpha plus énergétiques que celles à longue durée de vie. Cette règle a été formulée par Hans Geiger et John Mitchell Nuttall en 1911 avant le développement de la formulation théorique. La loi de Geiger-Nuttall peut être exprimée mathématiquement comme:

Loi de Geiger-Nuttall - équation

où a et b sont des constantes empiriques qui se trouvent à partir de tracés logarithmiques de données expérimentales. R α représente la plage linéaire de la particule alpha, c’est donc une mesure directe de l’énergie cinétique de la particule alpha. La largeur de la résonance (Γ) est généralement liée à la durée de vie moyenne (τ) du noyau excité par la relation: Γ = ℏ / τ

 

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