Qu’est-ce qu’un noyau stable – Noyau instable – Définition

Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables. S’il y a trop ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et subit une décroissance radioactive. Les isotopes instables se désintègrent par diverses voies de désintégration radioactive. Dosimétrie des rayonnements

Noyaux stables – Noyaux instables

Tableau des nucléides - Stabilité nucléaire
Diagramme de Segre – Ce diagramme montre un tracé des nucléides connus en fonction de leur nombre atomique et neutronique. Il peut être observé sur la carte qu’il y a plus de neutrons que de protons dans les nucléides avec Z supérieur à environ 20 (Calcium). Ces neutrons supplémentaires sont nécessaires à la stabilité des noyaux plus lourds. Les neutrons en excès agissent un peu comme de la colle nucléaire.

Une stabilité nucléaire est déterminée par la compétition entre deux interactions fondamentales. Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, qui s’attirent par  la  force nucléaire , tandis que les protons se repoussent par  la force électromagnétique en  raison de leur charge positive. Ces deux forces se font concurrence, conduisant à diverses stabilités des noyaux. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment  des noyaux stables . Les neutrons stabilisent le noyau , car ils s’attirent les uns les autres et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. En conséquence, à mesure que le nombre de protons augmente,  un rapport croissant des neutrons aux protons est nécessaire pour former un noyau stable. S’il y en a trop (les neutrons obéissent également au principe d’exclusion de Pauli ) ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et subit une  décroissance radioactive . Les isotopes instables se  désintègrent par diverses voies de désintégration radioactive, le plus souvent la désintégration alpha, la désintégration bêta ou la capture d’électrons. De nombreux autres types rares de désintégration, tels que la fission spontanée ou l’émission de neutrons sont connus.

Le  principe d’exclusion de Pauli  influence également l’  énergie critique  des  noyaux fissiles  et  fissiles . Par exemple, les actinides avec un nombre de neutrons impair sont généralement fissiles (fissiles avec des neutrons lents) tandis que les actinides avec un nombre de neutrons pair ne sont généralement pas fissiles (mais sont fissiles avec des neutrons rapides). Les noyaux lourds avec un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons sont (en raison du principe d’exclusion de Pauli) très stables grâce à l’apparition de «spin jumelé». En revanche, les noyaux avec un nombre impair de protons et de neutrons sont pour la plupart instables.

Nombre magique de protons et de neutrons

Un nombre magique est un nombre de nucléons dans un noyau , ce qui correspond à des coquilles complètes dans le noyau atomique. Les noyaux atomiques constitués d’un tel nombre magique de nucléons ont une énergie de liaison moyenne par nucléon plus élevée que ce à quoi on pourrait s’attendre sur la base de prédictions telles que la formule de masse de von Weizsaecker (également appelée formule de masse semi-empirique – SEMF ) et sont donc plus stables contre la décroissance nucléaire. Les nombres magiques sont prédits par le modèle de la coque nucléaireet sont prouvées par des observations qui ont montré qu’il y a des discontinuités soudaines dans les énergies de séparation des protons et neutrons à des valeurs spécifiques de Z et N. Celles-ci correspondent à la fermeture de coques (ou sous-coques). Les noyaux avec des coquilles fermées sont plus étroitement liés que le nombre supérieur suivant. La fermeture des coquilles se produit à Z ou N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. On constate que les noyaux avec un nombre pair de protons et de neutrons sont plus stables que ceux avec des nombres impairs. Les noyaux qui ont à la fois un nombre de neutrons et un nombre de protons égaux à l’un des nombres magiques peuvent être appelés « doublement magiques » et se révèlent particulièrement stables.nombres magiques - noyaux doublement magiquesIl existe d’autres propriétés spéciales des noyaux, qui ont un nombre magique de nucléons:

  1. Abondance plus élevée dans la nature. Par exemple, l’hélium-4 fait partie des noyaux les plus abondants (et stables) de l’univers.
  2. Les éléments stables à la fin de la série de désintégration ont tous un «nombre magique» de neutrons ou de protons. Les noyaux He-4, O-16 et Pb-208 (82 protons et 126 neutrons) qui contiennent des nombres magiques de neutrons et de protons sont particulièrement stables. La stabilité relative de ces noyaux rappelle celle des atomes de gaz inerte (coquilles d’électrons fermées).
  3. Les noyaux avec N = nombre magique ont des sections efficaces d’absorption des neutrons beaucoup plus faibles que les isotopes environnants.
  4. Ces noyaux semblent être de forme parfaitement sphérique; ils n’ont aucun moment électrique quadripolaire.
  5. Les noyaux des nombres magiques ont une première énergie d’excitation plus élevée.

Noyaux instables – Modes de désintégration

Notation des réactions nucléaires - désintégrations radioactives
Notation des réactions nucléaires – désintégrations radioactives
Source: chemwiki.ucdavis.edu

La désintégration nucléaire ( désintégration radioactive) se produit lorsqu’un atome instable perd de l’énergie en émettant un rayonnement ionisant . La désintégration radioactive est un processus aléatoire  au niveau d’atomes uniques, en ce sens que, selon la théorie quantique, il est impossible de prédire quand un atome particulier va se désintégrer. Pendant la désintégration radioactive, un noyau instable se décompose spontanément et aléatoirement pour former un noyau différent (ou un état énergétique différent – désintégration gamma), dégageant un rayonnement sous forme de particules atomiques ou de rayons de haute énergie. Cette décroissance se produit à un taux constant et prévisible qui est appelé demi-vie. Un noyau stable ne subira pas ce type de désintégration et n’est donc pas radioactif. Il existe de nombreux modes de désintégration radioactive:

  • Radioactivité alpha . La désintégration alpha est l’émission de particules alpha (noyaux d’hélium). Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. En raison de sa très grande masse (plus de 7 000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, il ionise le matériau lourd et a une très courte portée .
  • Radioactivité bêta . La désintégration bêta est l’émission de particules bêta . Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.
  • Radioactivité gamma . La radioactivité gamma est constituée de rayons gamma. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques (photons de haute énergie) de très haute fréquence et de haute énergie. Ils sont produits par la désintégration des noyaux lors de leur transition d’un état de haute énergie à un état inférieur appelé décroissance gamma. La plupart des réactions nucléaires s’accompagnent d’émissions gamma.
  • Emission de neutrons . L’émission de neutrons est un type de désintégration radioactive de noyaux contenant des neutrons en excès (en particulier des produits de fission), dans lequel un neutron est simplement éjecté du noyau. Ce type de rayonnement joue un rôle clé dans le contrôle des réacteurs nucléaires , car ces neutrons sont des neutrons retardés .
Tableau d'exemples de demi-vies et de constantes de décroissance.
Tableau d’exemples de demi-vies et de constantes de décroissance. Notez que les courtes demi-vies s’accompagnent de grandes constantes de désintégration. Les matières radioactives à courte demi-vie sont beaucoup plus radioactives mais perdront évidemment rapidement leur radioactivité.

Le taux de décroissance nucléaire est également mesuré en termes de  demi-vies . La demi-vie est le temps qu’il faut à un isotope donné pour perdre la moitié de sa radioactivité. Les demi-vies varient de  millionièmes de seconde pour les produits de fission hautement radioactifs  à des  milliards d’années pour les matériaux à vie longue  (comme l’ uranium naturel  ). Notez que les  courtes demi-vies s’accompagnent de grandes constantes de désintégration. Les matières radioactives à demi-vie courte sont beaucoup plus radioactives (au moment de la production) mais perdront évidemment rapidement leur radioactivité. Quelle que soit la durée ou la durée de la demi-vie, après sept demi-vies, il reste moins de 1% de l’activité initiale.

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