NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Les principes physiques
Les réactions nucléaires
La radioactivité
La radioactivité des noyaux atomiques découverte par Henri Becquerel en 1896 fit rapidement l'objet d'intenses recherches. En 1903, Rutherford énonça la loi mathématique de décroissance radioactive qui donne le nombre de noyaux présents à l'instant t : N = N0 exp(—t/τ), où N0 est le nombre initial de noyaux et τ la vie moyenne (reliée à la période T après laquelle la moitié des noyaux se sont désintégrés par T = 0,693 τ). Cette période dépend énormément du type de noyau considéré mais est caractéristique de celui-ci. Cette loi de décroissance est une illustration du caractère aléatoire du mécanisme sous-jacent et de sa nécessaire description dans le cadre quantique.
La théorie de la désintégration α, dans laquelle un noyau d'hélium est éjecté, fut proposée en 1927 par George Gamow, Ronald Gurney et Edward U. Condon. La réaction : (A, Z) → (A — 4, Z — 2) + α est spontanée pour certains éléments naturels de nombre atomique supérieur à 82 et a été observée pour des isotopes artificiels de Z plus petits.
La compréhension de la radioactivité β dut attendre, d'une part, l'audacieuse hypothèse de l'existence du neutrino formulée en 1930 par Wolfgang Pauli et, d'autre part, le modèle proposé en 1934 par Enrico Fermi. Les deux modes β— et β+ de ce phénomène relèvent de l'interaction nucléaire faible et changent un noyau en un isobare selon les réactions : (A, Z) → (A, Z + 1) + électron + antineutrino ; (A, Z) → (A, Z — 1) + positon + neutrino.
La radioactivité γ correspond, quant à elle, à une désexcitation électromagnétique d'un état excité du noyau vers un état plus stable. D'autres radioactivités, plus rares (émission de protons ou de noyaux légers jusqu'au carbone), ont aussi été mises en évidence.
La fission
Si les noyaux très lourds (Z > 90) subissent spontanément une fission, celle-ci peut être initiée pour un nombre beaucoup plus grand de noyaux par l'impact d'un projectile, souvent d'un neutron. Pour certains (les isotopes 233 et 235 de l'uranium, le plutonium 239 par exemple), il suffit que ce neutron soit absorbé ; pour d'autres (l'isotope 238 de l'uranium, le thorium 232), il faut qu'il apporte une énergie cinétique minimale. Le processus donne en général naissance à deux noyaux de masses moyennes et à un certain nombre de neutrons rapides (c'est-à-dire d'énergie cinétique égale à quelques mégaélectronvolts) susceptibles de déclencher sur les noyaux voisins une réaction en chaîne. On connaît l'importance de ce phénomène pour la production d'énergie, car chaque fission libère de 100 à 200 MeV. Ce phénomène est le principe des bombes A et des centrales nucléaires qui produisent de l'électricité.
La fusion
Les réactions de fusion – parfois appelées réactions thermonucléaires – des noyaux légers présentent un intérêt fondamental. Lors de ces réactions, deux noyaux légers s'unissent en formant un élément plus lourd, avec éventuellement éjection d'un neutron (n) ou d'un proton (p). Les exemples les plus importants sont la fusion de deux noyaux de deutérium (d) en hélium 3 (3He) ou en tritium (t), selon les processus très exo-énergétiques : d + d ? 3He + n ou t + p, et la fusion deutérium-tritium en hélium 4 (4He) : d + t ? 4He + n.
Sources de la puissance lumineuse des étoiles, en particulier du Soleil, ces réactions sont le principe des bombes thermonucléaires (ou bombes H). Un important programme de recherche a pour objectif de maîtriser ces réactions afin d'en faire la source énergétique de l'avenir (cf. énergiethermonucléaire). La difficulté de leur domestication tient au fait qu'il faut, pour les initier, réussir à rapprocher les noyaux[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
James Chadwick
Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images
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Yakov Khalip/ Slava Katamidze Collection/ Hulton Archive/ Getty Images
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