Vallée de la stabilité - Valley of stability

En physique nucléaire , la vallée de la stabilité (aussi appelée la ceinture de stabilité , vallée nucléaire , la vallée de l' énergie , ou la vallée de la stabilité bêta ) est une caractérisation de la stabilité des nucléides à la radioactivité en fonction de leur énergie de liaison. Les nucléides sont composés de protons et de neutrons . La forme de la vallée fait référence au profil de l'énergie de liaison en fonction du nombre de neutrons et de protons, la partie la plus basse de la vallée correspondant à la région des noyaux les plus stables . La ligne de nucléides stables au centre de la vallée de stabilité est connue sous le nom de ligne de stabilité bêta . Les flancs de la vallée correspondent à une instabilité croissante à la désintégration bêta - ou β + ). La désintégration d'un nucléide devient plus énergétiquement favorable à mesure qu'il s'éloigne de la ligne de stabilité bêta. Les limites de la vallée correspondent aux lignes de goutte à goutte nucléaires , où les nucléides deviennent si instables qu'ils émettent des protons simples ou des neutrons uniques . Les régions d'instabilité dans la vallée à numéro atomique élevé comprennent également la désintégration radioactive par rayonnement alpha ou fission spontanée . La forme de la vallée est à peu près un paraboloïde allongé correspondant aux énergies de liaison des nucléides en fonction des neutrons et des numéros atomiques.

Les nucléides dans la vallée de la stabilité englobent toute la table des nucléides . La carte de ces nucléides est connue sous le nom de carte Segrè , d'après le physicien Emilio Segrè . La carte Segrè peut être considérée comme une carte de la vallée nucléaire. La région des combinaisons de protons et de neutrons en dehors de la vallée de la stabilité est appelée la mer de l'instabilité.

Les scientifiques recherchent depuis longtemps des isotopes lourds à longue durée de vie en dehors de la vallée de la stabilité, comme l'hypothèse de Glenn T. Seaborg à la fin des années 1960. On s'attend à ce que ces nucléides relativement stables aient des configurations particulières de nombres atomiques et neutroniques « magiques » et forment un soi-disant îlot de stabilité .

Description

Tous les noyaux atomiques sont composés de protons et de neutrons liés entre eux par la force nucléaire . Il y a 286 primordiales nucléides qui se produisent naturellement sur la terre, chacun, appelés correspondant à un nombre unique de protons le numéro atomique , Z , et un nombre unique de neutrons, appelés le nombre de neutrons , N . Le nombre de masse , A , d'un nucléide est la somme des nombres atomiques et neutrons, A = Z + N . Cependant, tous les nucléides ne sont pas stables. Selon Byrne, les nucléides stables sont définis comme ceux ayant une demi-vie supérieure à 10 18 ans, et il existe de nombreuses combinaisons de protons et de neutrons qui forment des nucléides instables. Un exemple courant de nucléide instable est le carbone-14 qui se désintègre par désintégration bêta en azote-14 avec une demi-vie d'environ 5730 ans.

14
6
C
14
7
N
+
e -
+
ν
e

Dans cette forme de désintégration, l'élément d'origine devient un nouvel élément chimique dans un processus connu sous le nom de transmutation nucléaire et une particule bêta et un antineutrino électronique sont émis. Une propriété essentielle de cette désintégration et de toutes les désintégrations de nucléides est que l'énergie totale du produit de désintégration est inférieure à celle du nucléide d'origine. La différence entre les énergies de liaison aux nucléides initiale et finale est emportée par les énergies cinétiques des produits de désintégration, souvent la particule bêta et son neutrino associé.

Le concept de vallée de stabilité est une manière d'organiser tous les nucléides en fonction de l'énergie de liaison en fonction des nombres de neutrons et de protons. La plupart des nucléides stables ont un nombre à peu près égal de protons et de neutrons, de sorte que la ligne pour laquelle Z = N forme une ligne initiale approximative définissant des nucléides stables. Cependant, plus le nombre de protons est grand, plus il faut de neutrons pour stabiliser un nucléide, de sorte que les nucléides avec des valeurs plus élevées pour Z nécessitent un nombre encore plus grand de neutrons, N > Z , pour être stables. La vallée de la stabilité est formée par l'énergie négative de liaison, l'énergie de liaison étant l'énergie nécessaire pour briser le nucléide en ses composants protons et neutrons. Les nucléides stables ont une énergie de liaison élevée et ces nucléides se trouvent le long du fond de la vallée de stabilité. Les nucléides avec une énergie de liaison plus faible ont des combinaisons de N et Z qui se situent hors de la ligne de stabilité et plus haut sur les côtés de la vallée de stabilité. Des nucléides instables peuvent être formés dans des réacteurs nucléaires ou des supernovas , par exemple. Ces nucléides se désintègrent souvent en séquences de réactions appelées chaînes de désintégration qui entraînent les nucléides résultants séquentiellement sur les pentes de la vallée de la stabilité. La séquence de désintégration amène les nucléides vers de plus grandes énergies de liaison, et les nucléides terminant la chaîne sont stables. La vallée de la stabilité fournit à la fois une approche conceptuelle de la manière d'organiser la myriade de nucléides stables et instables en une image cohérente et une manière intuitive de comprendre comment et pourquoi des séquences de désintégration radioactive se produisent.

Le rôle des neutrons

Les protons et les neutrons qui composent un noyau atomique se comportent presque de la même manière dans le noyau. La symétrie approximative de l' isospin traite ces particules comme identiques, mais dans un état quantique différent. Cette symétrie n'est qu'approximative, cependant, et la force nucléaire qui lie les nucléons ensemble est une fonction compliquée qui dépend du type de nucléon, de l'état de spin, de la charge électrique, de l'impulsion, etc. et avec des contributions de forces non centrales . La force nucléaire n'est pas une force fondamentale de la nature, mais une conséquence des effets résiduels de la force forte qui entoure les nucléons. Une conséquence de ces complications est que bien que le deutérium , un état lié d'un proton (p) et d'un neutron (n) soit stable, les nucléides exotiques tels que le diproton ou le dineutron ne sont pas liés. La force nucléaire n'est pas suffisamment forte pour former des états liés pp ou nn, ou de manière équivalente, la force nucléaire ne forme pas un potentiel suffisamment profond pour se lier à ces nucléons identiques.

Les nucléides stables nécessitent un nombre approximativement égal de protons et de neutrons. Le nucléide stable carbone-12 ( 12 C) est par exemple composé de six neutrons et de six protons. Les protons ont une charge positive, par conséquent, dans un nucléide avec de nombreux protons, il existe de grandes forces de répulsion entre les protons résultant de la force de Coulomb . En agissant pour séparer les protons les uns des autres, les neutrons au sein d'un nucléide jouent un rôle essentiel dans la stabilisation des nucléides. Avec l'augmentation du nombre atomique, un nombre encore plus grand de neutrons est nécessaire pour obtenir la stabilité. L'élément stable le plus lourd, le plomb (Pb), contient beaucoup plus de neutrons que de protons. Le nucléide stable 206 Pb a par exemple Z  = 82 et N  = 124. Pour cette raison, la vallée de stabilité ne suit pas la ligne Z  =  N pour A supérieur à 40 ( Z  = 20 est l'élément calcium ). Le nombre de neutrons augmente le long de la ligne de stabilité bêta à un rythme plus rapide que le nombre atomique.

La ligne de stabilité bêta suit une courbe particulière de rapport neutron-proton , correspondant aux nucléides les plus stables. D'un côté de la vallée de la stabilité, ce rapport est faible, correspondant à un excès de protons sur les neutrons dans les nucléides. Ces nucléides ont tendance à être instables à la désintégration β + ou à la capture d'électrons, car une telle désintégration convertit un proton en neutron. La désintégration sert à déplacer les nucléides vers un rapport neutron-proton plus stable. De l'autre côté de la vallée de la stabilité, ce rapport est important, correspondant à un excès de neutrons sur les protons dans les nucléides. Ces nucléides ont tendance à être instables à la ß - décomposition, puisque ces convertis de désintégration des neutrons à protons. De ce côté de la vallée de la stabilité, la désintégration β - sert également à déplacer les nucléides vers un rapport neutron-proton plus stable.

Neutrons, protons et énergie de liaison

La masse d'un noyau atomique est donnée par

où et sont la masse de repos d'un proton et d'un neutron, respectivement, et est l' énergie de liaison totale du noyau. L' équivalence masse-énergie est utilisée ici. L'énergie de liaison est soustraite de la somme des masses de protons et de neutrons car la masse du noyau est inférieure à cette somme. Cette propriété, appelée le défaut de masse , est nécessaire pour un noyau stable; au sein d'un noyau, les nucléides sont piégés par un puits de potentiel . Une formule de masse semi-empirique indique que l'énergie de liaison prendra la forme

La différence entre la masse d'un noyau et la somme des masses des neutrons et des protons qui le composent est connue sous le nom de défaut de masse . E B est souvent divisé par le nombre de masse pour obtenir l'énergie de liaison par nucléon pour les comparaisons des énergies de liaison entre les nucléides. Chacun des termes de cette formule a une base théorique. Les coefficients , , , et un coefficient qui apparaît dans la formule sont déterminées empiriquement.

L'expression de l'énergie de liaison donne une estimation quantitative du rapport neutron-proton. L'énergie est une expression quadratique en Z qui est minimisée lorsque le rapport neutron-proton est . Cette équation pour le rapport neutron-proton montre que dans les nucléides stables, le nombre de neutrons est supérieur au nombre de protons d'un facteur qui s'échelonne comme .

Le négatif de l'énergie de liaison par nucléon pour les nucléides stables situés le long du fond de la vallée de stabilité. Le fer 56 est à peu près le nucléide le plus stable, et c'est à peu près le point le plus bas de la vallée de stabilité.

La figure de droite montre l'énergie de liaison moyenne par nucléon en fonction du nombre de masse atomique le long de la ligne de stabilité bêta, c'est-à-dire le long du fond de la vallée de stabilité. Pour un très petit nombre de masse atomique (H, He, Li), l'énergie de liaison par nucléon est petite, et cette énergie augmente rapidement avec le numéro de masse atomique. Le nickel-62 (28 protons, 34 neutrons) a l'énergie de liaison moyenne la plus élevée de tous les nucléides, tandis que le fer-58 (26 protons, 32 neutrons) et le fer-56 (26 protons, 30 neutrons) sont proches des deuxièmes et troisièmes. Ces nucléides se trouvent tout au fond de la vallée de la stabilité. À partir de ce fond, l'énergie de liaison moyenne par nucléon diminue lentement avec l'augmentation du nombre de masse atomique. Le nucléide lourd 238 U n'est pas stable, mais se désintègre lentement avec une demi-vie de 4,5 milliards d'années. Il a une énergie de liaison relativement faible par nucléon.

Pour la β - désintégration, les réactions nucléaires ont la forme générique

A
Z
X
A
Z +1
X'
+
e -
+
ν
e

A et Z sont le numéro de masse et le numéro atomique du noyau en décomposition, et X et X 'sont les nucléides initial et final, respectivement. Pour la désintégration β + , la forme générique est

A
Z
X
A
Z −1
X'
+
e +
+
ν
e

Ces réactions correspondent respectivement à la désintégration d'un neutron en proton ou à la désintégration d'un proton en neutron à l'intérieur du noyau. Ces réactions commencent d'un côté ou de l'autre de la vallée de stabilité, et les directions des réactions sont de déplacer les nucléides initiaux le long des parois de la vallée vers une région de plus grande stabilité, c'est-à-dire vers une plus grande énergie de liaison.

Le négatif de l'énergie de liaison par nucléon pour les nucléides de numéro de masse atomique 125 tracé en fonction du numéro atomique. Le profil de l'énergie de liaison à travers la vallée de la stabilité est à peu près une parabole. Le tellure -52 ( 52 Te) est stable, tandis que l' antimoine -51 ( 51 Sb) est instable à la désintégration β−.

La figure de droite montre l'énergie de liaison moyenne par nucléon à travers la vallée de stabilité pour les nucléides avec un nombre de masse A  = 125. Au bas de cette courbe se trouve le tellure ( 52 Te), qui est stable. Les nucléides à gauche de 52 Te sont instables avec un excès de neutrons, tandis que ceux de droite sont instables avec un excès de protons. Un nucléide à gauche subit donc une désintégration β - , qui convertit un neutron en proton, donc déplace le nucléide vers la droite et vers une plus grande stabilité. Un nucléide à droite subit de la même manière une désintégration β + , qui déplace le nucléide vers la gauche et vers une plus grande stabilité.

Les nucléides lourds sont sensibles à la désintégration α, et ces réactions nucléaires ont la forme générique,

A
Z
X
A -4
Z -2
X'
+ 4
2
Il

Comme dans la désintégration β, le produit de désintégration X 'a une plus grande énergie de liaison et il est plus proche du milieu de la vallée de stabilité. La particule α emporte deux neutrons et deux protons, laissant un nucléide plus léger. Puisque les nucléides lourds contiennent beaucoup plus de neutrons que de protons, la désintégration α augmente le rapport neutron-proton d'un nucléide.

Lignes d'égouttement de protons et de neutrons

Les limites de la vallée de stabilité, c'est-à-dire les limites supérieures des parois de la vallée, sont la ligne de goutte à goutte de neutrons du côté riche en neutrons et la ligne de goutte à goutte de protons du côté riche en protons. Les lignes de goutte à goutte de nucléons sont aux extrêmes du rapport neutron-proton. À des rapports neutrons-protons au-delà des lignes de goutte à goutte, aucun noyau ne peut exister. L'emplacement de la ligne d'égouttement des neutrons n'est pas bien connu pour la majeure partie de la carte Segrè, alors que les lignes d'égouttement de protons et d'alpha ont été mesurées pour une large gamme d'éléments. Les lignes d'égouttement sont définies pour les protons, les neutrons et les particules alpha, et tous jouent un rôle important en physique nucléaire.

La différence d'énergie de liaison entre les nucléides voisins augmente à mesure que les côtés de la vallée de stabilité sont ascensionnés, et en conséquence les demi-vies des nucléides diminuent, comme indiqué sur la figure ci-dessus. Si l'on ajoutait des nucléons un par un à un nucléide donné, le processus conduirait finalement à un nucléide nouvellement formé qui est si instable qu'il se désintègre rapidement en émettant un proton (ou neutron). De manière familière, le nucléon a «fui» ou «égoutté» hors du noyau, ce qui a donné naissance au terme «ligne de goutte à goutte».

L'émission de protons n'est pas observée dans les nucléides naturels. Les émetteurs de protons peuvent être produits par des réactions nucléaires , utilisant généralement des accélérateurs linéaires de particules (linac). Bien qu'une émission de protons rapide (c'est-à-dire non retardée bêta) ait été observée à partir d'un isomère du cobalt-53 dès 1969, aucun autre état émetteur de protons n'a été trouvé avant 1981, lorsque les états fondamentaux radioactifs du proton du lutétium-151 et du thulium-147 ont été observés lors d'expériences au GSI en Allemagne de l'Ouest. La recherche dans le domaine a prospéré après cette percée, et à ce jour, plus de 25 nucléides se sont avérés présenter une émission de protons. L'étude de l'émission de protons a aidé à comprendre la déformation nucléaire, les masses et la structure, et c'est un exemple de tunnel quantique .

Deux exemples de nucléides qui émettent des neutrons sont le béryllium-13 (durée de vie moyenne 2,7 × 10 −21   s ) et hélium-5 ( 7 × 10 - 22  s ). Étant donné que seul un neutron est perdu dans ce processus, l'atome ne gagne ni ne perd de protons et ne devient donc pas un atome d'un élément différent. Au lieu de cela, l'atome deviendra un nouvel isotope de l'élément d'origine, tel que le béryllium-13 devenant du béryllium-12 après avoir émis l'un de ses neutrons.

En génie nucléaire , un neutron rapide est un neutron immédiatement émis par un événement de fission nucléaire . Neutrons rapides émergent de la fission d'un instable fissile ou fissile noyau lourd presque instantanément. Une désintégration neutronique retardée peut se produire dans le même contexte, émise après la désintégration bêta de l'un des produits de fission . La désintégration retardée des neutrons peut se produire à des moments allant de quelques millisecondes à quelques minutes. La US Nuclear Regulatory Commission définit un neutron prompt comme un neutron sortant de la fission en 10 à 14 secondes.

Île de stabilité

L'île de stabilité est une région en dehors de la vallée de la stabilité où l'on prévoit qu'un ensemble d' isotopes lourds avec des nombres quasi magiques de protons et de neutrons inversera localement la tendance à la diminution de la stabilité des éléments plus lourds que l'uranium . L'hypothèse de l'îlot de stabilité est basée sur le modèle de la coquille nucléaire , ce qui implique que le noyau atomique est construit en "coquilles" d'une manière similaire à la structure des couches d'électrons beaucoup plus grandes dans les atomes. Dans les deux cas, les coquilles ne sont que des groupes de niveaux d'énergie quantique relativement proches les uns des autres. Les niveaux d'énergie des états quantiques dans deux coquilles différentes seront séparés par un écart d'énergie relativement important. Ainsi, lorsque le nombre de neutrons et de protons remplit complètement les niveaux d'énergie d'une coquille donnée dans le noyau, l' énergie de liaison par nucléon atteindra un maximum local et donc cette configuration particulière aura une durée de vie plus longue que les isotopes proches qui ne possèdent pas de coquilles remplies. .

Une coquille pleine aurait des « nombres magiques » de neutrons et de protons. Un nombre magique possible de neutrons pour les noyaux sphériques est 184, et certains nombres de protons correspondants possibles sont 114, 120 et 126. Ces configurations impliquent que les isotopes sphériques les plus stables seraient le flerovium -298, l' unbinilium -304 et l' unbihexium -310. Il convient de noter en particulier 298 Fl, ce qui serait " doublement magique " (son nombre de protons de 114 et son nombre de neutrons de 184 sont considérés comme magiques). Cette configuration doublement magique est la plus susceptible d'avoir une très longue demi-vie. Le prochain noyau sphérique doublement magique plus léger est le plomb -208, le noyau stable le plus lourd connu et le métal lourd le plus stable.

Discussion

La vallée de la stabilité peut être utile pour interpréter et comprendre les propriétés des processus de désintégration nucléaire tels que les chaînes de désintégration et la fission nucléaire .

La série uranium-238 est une série de désintégrations α (N et Z moins 2) et β− (N moins 1, Z plus 1) en nucléides qui s'enfoncent successivement plus profondément dans la vallée de la stabilité. La série se termine au plomb-206, un nucléide stable au fond de la vallée de stabilité.

La désintégration radioactive se déroule souvent via une séquence d'étapes connues sous le nom de chaîne de désintégration. Par exemple, 238 U se désintègre à 234 Th qui se désintègre à 234 m Pa et ainsi de suite, atteignant finalement 206 Pb :

À chaque étape de cette séquence de réactions, de l'énergie est libérée et les produits de désintégration se déplacent plus bas dans la vallée de la stabilité vers la ligne de stabilité bêta. Le 206 Pb est stable et se situe sur la ligne de la stabilité bêta.

Fission nucléaire vue avec un noyau d'uranium 235

Les processus de fission qui se produisent dans les réacteurs nucléaires s'accompagnent de la libération de neutrons qui soutiennent la réaction en chaîne . La fission se produit lorsqu'un nucléide lourd tel que l' uranium 235 absorbe un neutron et se brise en composants plus légers tels que le baryum ou le krypton , généralement avec la libération de neutrons supplémentaires. Comme tous les nucléides à numéro atomique élevé, ces noyaux d'uranium nécessitent de nombreux neutrons pour renforcer leur stabilité, ils ont donc un rapport neutron-proton ( N / Z ) important. Les noyaux issus d'une fission ( produits de fission ) héritent d'un N / Z similaire , mais ont des numéros atomiques qui sont environ la moitié de celui de l'uranium. Les isotopes avec le numéro atomique des produits de fission et un N / Z proche de celui de l'uranium ou d'autres noyaux fissiles ont trop de neutrons pour être stables; cet excès de neutrons est la raison pour laquelle plusieurs neutrons libres mais pas de protons libres sont généralement émis dans le processus de fission, et c'est aussi pourquoi de nombreux noyaux de produits de fission subissent une longue chaîne de désintégrations β - , dont chacune convertit un noyau N / Z en ( N - 1) / ( Z + 1), où N et Z sont respectivement les nombres de neutrons et de protons contenus dans le noyau.

Lorsque les réactions de fission se poursuivent à une vitesse donnée, comme dans un réacteur nucléaire refroidi par liquide ou à combustible solide, le combustible nucléaire dans le système produit de nombreux antineutrinos pour chaque fission qui s'est produite. Ces antineutrinos proviennent de la désintégration des produits de fission qui, à mesure que leurs noyaux progressent le long d'une chaîne de désintégration β - vers la vallée de la stabilité, émettent un antineutrino avec chaque particule β - . En 1956, Reines et Cowan ont exploité le flux intense (anticipé) d'antineutrinos d'un réacteur nucléaire dans la conception d' une expérience visant à détecter et confirmer l'existence de ces particules insaisissables.

Voir également

Les références

Liens externes