LE NOYAU

L'émission de particules alpha

L'émission de particules alpha par le noyau peut se faire grâce à un processus caractéristique de la physique quantique, appelé effet tunnel. Les deux protons et les deux neutrons parviennent à s'échapper bien qu'ils ne possèdent pas une quantité d'énergie suffisante pour briser les liaisons nucléaires. C'est comme si un caillou lancé en l'air parvenait à échapper à l'attraction gravitationnelle terrestre et à voler dans l'espace, en dépit de la faible énergie que lui a imprimée le lanceur. Ce phénomène s'explique parfaitement dans le cadre de la mécanique quantique, et il est particulièrement important pour les noyaux ayant un numéro atomique Z supérieur à 82 (plomb).

La fission spontanée

La fission spontanée, c'est-à-dire la division du noyau en deux fragments approximativement identiques, est un phénomène qui revêt une grande importance uniquement pour les éléments transuraniens. Dans ce cas également, le processus de scission est rendu possible par l'effet tunnel, selon les lois de la mécanique quantique.

Transmutations artificielles

Les transmutations peuvent se produire spontanément, pour faire en sorte que les noyaux se rapprochent de configurations stables, mais elles peuvent aussi être induites artificiellement. Par exemple, à travers le bombardement de noyaux au moyen d'autres noyaux, de rayons gamma, de neutrons, d'électrons, etc. Un exemple significatif de transmutation est celui qu'on observe en bombardant un noyau d'aluminium (nombre de masse A = 27, numéro atomique Z = 13) au moyen d'un neutron. Le noyau absorbe le neutron et expulse un proton, devenant de la sorte un noyau de magnésium (nombre de masse A = 27, numéro atomique Z = 12). Les projectiles utilisés peuvent être de nature diverse. Rappelons toutefois que si le projectile est porteur d'une charge électrique positive (par exemple un proton), il devra vaincre la répulsion électrostatique du noyau cible, et devra donc être porteur d'une énergie élevée. D'autres réactions sont caractérisées par des énergies de seuil, c'est-à-dire qu'elles n'ont lieu que si le projectile possède une énergie dépassant une certaine valeur. Il s'agit par exemple des réactions lors desquelles un noyau, frappé par un neutron, en libère deux.

FISSION

L'un des processus de transformation des noyaux atomiques est la fission, la scission en deux (ou, rarement, trois) de noyaux ayant une masse semblable. Chaque fission se caractérise par la libération d'une quantité d'énergie de l'ordre de 200 millions d'électronvolts. Cette valeur est 100 millions de fois supérieure à celle des énergies typiques des réactions chimiques, et explique l'intérêt technologique et militaire qu'a suscité la fission nucléaire dès sa découverte. L'énergie libérée est due à la transformation d'une partie de la masse du noyau initial. En effet, les produits de la réaction ont une masse globale légèrement inférieure à celle du noyau qui a été scindé. La partie manquante est libérée sous la forme d'énergie, selon la relation de Einstein E = mc2.

Les noyaux vivent dans une situation d'équilibre due à l'opposition des forces électrostatiques répulsives qui s'exercent entre les protons, et des forces nucléaires fortes attractives (très intenses mais au rayon d'action limité), qui s'exercent entre tous les nucléons. Si l'équilibre est précaire, comme c'est le cas dans certains noyaux lourds, il suffit de fournir de l'extérieur une quantité d'énergie appropriée pour l'altérer et générer la rupture du noyau en deux ou trois parties.

Les noyaux caractérisés par de grandes valeurs du nombre de masse A sont constitués d'un nombre N de neutrons qui dépasse de beaucoup le nombre Z de protons. Quand leur fission a lieu, il se crée des noyaux plus légers, dans lesquels sont répartis les protons et les neutrons des noyaux initiaux. Toutefois, les nouveaux noyaux, ayant un nombre Z beaucoup plus bas, ont besoin de moins de neutrons pour être stables. Bref, ils contiennent une quantité de neutrons trop élevée. C'est pour cette raison que les produits de la fission sont instables. Toutefois, ils atteignent la stabilité grâce à une série de transmutations bêta qui transforment les neutrons en excédent en protons. La radioactivité qu'on enregistre au cours des processus de fission dérive principalement de la transformation de neutrons en protons et inversement.

Il peut arriver qu'au moment de la scission quelques-uns (2 ou 3) des neutrons en excédent soient émis. C'est le phénomène sur lequel se fondent les réactions en chaîne. On fait en sorte que la fission d'un noyau produise des neutrons libres, lesquels, en heurtant d'autres noyaux semblables, déclenchent à leur tour de nouveaux processus de fission. Chaque fission dégage une quantité d'énergie relativement faible, mais une fois déclenchée la réaction en chaîne, des milliards de processus simultanés viennent se sommer.

Si les noyaux qu'on souhaite scinder sont ceux de l'uranium naturel, les neutrons projectiles doivent posséder une énergie très élevée pour remplir leur fonction. Autrement dit, il faut des neutrons rapides. L'uranium naturel est constitué à 99,3 % de l'isotope uranium-238, dont le noyau contient 92 protons et 146 neutrons. Sa structure est relativement stable, grâce également au nombre pair de neutrons, qui se disposent par paires. Il existe toutefois 0,7 % d'uranium-235, qui contient dans son noyau 92 protons et 143 neutrons. Le fait qu'il contienne un nombre impair de neutrons le rend plus instable et plus disponible à absorber un nouveau neutron. C'est la raison pour laquelle même un neutron lent (c'est-à-dire peu énergétique) peut provoquer la fission d'un noyau d'uranium-235. Le nouveau neutron provoque la déformation du noyau, son allongement et, enfin, sa rupture en deux parties. Tous les noyaux d'éléments lourds, à partir du thorium, peuvent subir la fission avec une facilité plus ou moins grande, selon l'énergie plus ou moins élevée des neutrons incidents. La fission peut également être induite par des photons (photofission) et des particules chargées rapides (protons ou particules alpha). Les noyaux d'uranium-233, d'uranium-235, de plutonium-239 peuvent au contraire subir la fission quelle que soit l'énergie du neutron incident. C'est même en présence de neutrons très lents, dits « thermiques » parce qu'ils sont en équilibre thermique avec la température ambiante, qu'il existe la plus grande probabilité que le processus se réalise.

La production artificielle et contrôlée de l'énergie de fission se fonde sur les observations précédentes : les neutrons thermiques sont absorbés par la petite quantité d'uranium-235 présente dans l'uranium naturel et, en en provoquant la fission, créent les conditions d'une réaction en chaîne. L'un des problèmes consiste à séparer l'uranium-235 de l'isotope, plus répandu mais moins fissile, l'uranium-238. Il est nécessaire par ailleurs de ralentir les neutrons. Il faut par conséquent une substance (appelée modérateur), à même de freiner les neutrons de la réaction en chaîne sans les absorber. Ce sont là les processus qui ont lieu normalement à l'intérieur des réacteurs nucléaires à fission contrôlée.

Dans les réacteurs a lieu également la production de plutonium-239, un excellent combustible nucléaire. Quand un noyau d'uranium-238 absorbe un neutron, il se transforme en un isotope instable, l'uranium-239. La tendance à la stabilité déclenche une transmutation bêta, au cours de laquelle le neutron se transforme en un proton. On obtient de la sorte un noyau de neptunium-239 (93 protons et 146 neutrons). L'absorption par le neptunium d'un nouveau neutron et une autre transmutation bêta portent à la naissance d'un noyau de plutonium-239.

La fission permet la production d'énergie à usage civile, mais aussi la production d'armes hautement destructives. Disons même que cela a été le premier but dans lequel elle a été utilisée, et que ce sont les efforts pour la fabrication de la bombe nucléaire qui ont contribué de façon considérable à la compréhension de la physique nucléaire. Pour produire une explosion, il faut déclencher une réaction en chaîne très rapide, et assez intense pour s'auto-alimenter. Cela suppose qu'on atteigne la masse critique. Autrement dit, il faut disposer d'une quantité donnée de matière fissile (uranium-235 ou plutonium-239), de façon que les neutrons libérés lors de chaque fission parviennent à atteindre rapidement d'autres noyaux à scinder. L'effet explosif s'obtient en rapprochant très rapidement deux masses, par exemple d'uranium, dont chacune est inférieure à la masse critique.

FUSION

La fusion nucléaire est un autre processus de transformation des noyaux. C'est par ailleurs le processus qui maintient en vie les étoiles et donc, indirectement, tous les êtres vivants qui bénéficient de l'énergie irradiée par le Soleil.

Deux noyaux atomiques fusionnent s'ils se heurtent à une vitesse assez élevée pour vaincre la répulsion électrostatique qui s'exerce entre les protons dont ils sont constitués. C'est pour cette raison qu'il est plus probable que la fusion ait lieu entre des noyaux légers, dont les quelques protons se repoussent avec une intensité assez faible. Le résultat de ce processus est un nouveau noyau, en général plus léger que la somme des deux noyaux de départ. La masse manquante, dans ce cas également, se transforme en énergie et est libérée sous la forme de rayons gamma et de neutrinos.

On parle souvent de fusion thermonucléaire car, pour pouvoir déclencher des réactions de ce type, sont nécessaires des températures très élevées, qui n'existent souvent qu'à l'intérieur des étoiles. L'un des mécanismes de fusion se fonde sur le cycle du carbone : un noyau de carbone-12 (6 protons et 6 neutrons) capture quatre protons. Deux d'entre eux se transforment en neutrons à travers une transmutation bêta et s'unissent aux deux autres en formant une particule alpha, laquelle est ensuite expulsée. Le noyau de carbone reste donc inchangé et fait simplement office d'hôte de la réaction de fusion, qui génère une particule alpha à partir de quatre protons. Un autre type de réaction est celui qui se fonde sur le cycle hydrogène-hydrogène. Dans ce cas, les quatre protons (noyaux d'hydrogène) fusionnent l'un avec l'autre pour former un noyau d'hélium (particule alpha), sans intervention de noyaux plus lourds. Chaque réaction de fusion de ce type dégage une quantité d'énergie comprise entre 3 et 18 millions d'électronvolts, une énergie inférieure à l'énergie caractéristique de la fission de l'uranium. Il faut considérer toutefois que le combustible utilisé (l'hydrogène) est l'un des éléments les plus répandus dans la nature. En outre, et c'est là un aspect non négligeable pour son exploitation comme source d'énergie par l'homme, la fusion nucléaire, à la différence de la fission, ne produit pas de pollutions radioactives.

Aussi la fusion nucléaire pourrait-elle représenter la solution définitive du problème de l'approvisionnement énergétique. Toutefois, les conditions pour obtenir la fusion sont beaucoup plus complexes à réunir que les conditions caractéristiques de la fission. Alors que les noyaux qu'on souhaite scinder par fission peuvent demeurer immobiles, puisqu'ils font office de cibles pour les neutrons, les noyaux candidats à la fusion doivent se déplacer à des vitesses de nature à leur permettre de vaincre leurs répulsions électrostatiques réciproques. Imprimer des vitesses élevées aux noyaux, cela veut dire porter la matière dans laquelle ils sont contenus à des températures très élevées, de l'ordre de 46 millions de kelvins. Si on souhaite de surcroît que la fusion soit avantageuse en termes énergétiques, c'est-à-dire qu'elle fournisse plus d'énergie qu'il n'en faut pour l'obtenir, la température nécessaire s'élève à plusieurs centaines de millions de kelvins.

Outre le problème d'atteindre ces températures et de les maintenir pendant un temps approprié, se pose le problème du maintien des noyaux dans des espaces limités. Leur proximité représente une condition qui facilite le déclenchement du processus de fusion. Les difficultés techniques liées à ces exigences n'ont pas encore été surmontées, et on n'est donc pas encore parvenu à obtenir la fusion d'une grande quantité de noyaux en laboratoire. On a réussi par contre à réaliser une bombe thermonucléaire, dans laquelle les conditions nécessaires à la fusion - très haute température et maintien dans un espace très restreint - sont créées grâce à l'explosion d'une bombe à fission qui comprime énormément les noyaux d'hydrogène.

RADIOACTIVITÉ

Les émissions radioactives sont dues à la tendance de certains noyaux à se porter vers des configurations de plus en plus stables. C'est ainsi qu'un noyau qui se trouve dans un état d'excitation, c'est-à-dire ayant une énergie supérieure à celle de l'état fondamental, libère son excédent d'énergie en émettant des particules alpha ou bêta, ou bien des photons gamma. La radioactivité existe à l'état naturel, mais peut aussi être provoquée artificiellement. En effet, si on « excite » un noyau en le bombardant au moyen de particules comme les protons ou les neutrons, il reviendra à l'état fondamental ou s'en rapprochera, en émettant des radiations. La radioactivité naturelle se présente dans presque tous les noyaux ayant un numéro atomique Z compris entre 81 et 92. Ils se transforment en noyaux plus légers, dont les caractéristiques chimiques se distinguent nettement de celles des noyaux initiaux.

La loi qui décrit la transmutation radioactive est de nature exponentielle. Cette loi montre la façon dont, avec le temps, le nombre de noyaux de départ se réduit, à cause de la transmutation de ces derniers. Un paramètre très important qui apparaît dans la formule est la « vie moyenne ». Au bout d'un certain temps, appelé « vie moyenne », presque les deux tiers des noyaux initiaux ont subi la transmutation radioactive. La « vie moyenne » varie selon le noyau considéré. Elle peut osciller d'un millième de milliardième d'année à cent millions de milliards d'années. Sa valeur est un bon indicateur de la stabilité du noyau auquel elle se réfère. Une « vie moyenne » courte est signe d'instabilité, et donc de prédisposition à la transmutation radioactive. Les noyaux stables, en revanche, présentent une vie moyenne très longue.

Il n'est pas dit qu'un noyau radioactif se transmue directement en un noyau stable. Il peut arriver qu'il se transmue en un noyau instable, sujet à son tour à une transmutation radioactive. Le processus en cascade continue jusqu'à ce qu'on arrive à un noyau stable. On parle alors de série radioactive.

Les éléments naturellement radioactifs ont été regroupés en trois séries, qui portent le nom des trois éléments qui font office de souche. La série de l'uranium, la série du bore et la série de l'actinium. Les souches ont une vie moyenne très longue (respectivement 6,5 ; 20 et 1,3 milliards d'années), et se transmuent en éléments plus légers. Le processus de transmutation s'arrête, quand un isotope stable du plomb est généré. Il existe aussi la série du neptunium qui, toutefois, contient aussi des noyaux radioactifs n'existant pas dans la nature, mais créés en laboratoire (éléments transuraniens). La série se termine par un isotope stable du bismuth.

Les noyaux appartenant à une même série diffèrent l'un de l'autre par quatre nucléons, car la transmutation qui commande le passage de l'un à l'autre correspond à l'émission de particules alpha. Dans un nombre limité de cas, la transmutation bêta peut se produire, laquelle, transformant un neutron en un proton, n'entraîne pas de changement du nombre de masse A.

Les isotopes instables, qui se transmuent en émettant des particules alpha ou bêta, ou bien des rayons gamma, sont dits radio-isotopes. On en connaît à peu près mille, mais leurs vies moyennes et les difficultés liées à leur production font qu'une centaine d'entre eux seulement sont utilisables pour des applications pratiques.