Noyaux radioactifs

[Carte des noyaux, Les forces dans le noyau, Mécanismes de la radioactivité, Synthèse des noyaux]

La grande majorité des noyaux naturels sont stables. C’est la raison pour laquelle on les observent dans la Nature, les noyaux instables qui sont radioactifs disparaissant avec le temps.

Les seuls noyaux instables subsistants dans l’environnement naturel possèdent une durée de vie très longue, de l'ordre de milliards d'années comme l’uranium et le thorium, ou bien ils sont constamment régénérés. Parmi ces derniers, on trouve les noyaux radioactifs issus de la descendance des noyaux d'uranium ou de thorium, et ceux renouvelés (comme le carbone-14) sous l'effet du rayonnement cosmique.

Depuis la découverte de la radioactivité artificielle en 1934, de très nombreux noyaux radioactifs qui avaient disparu ont pu être recrées.

La stabilité ou l'instabilité d'un noyau résulte de la compétition entre les forces attractives et répulsives présentes en son sein. Un noyau est un assemblage particulièrement complexe de nombreux constituants dont le nombre atteint 238 pour l'élément naturel le plus lourd, l'uranium. Avec autant de participants, la description des phénomènes à l'intérieur du noyau, et notamment des forces, n'est pas simple. Les physiciens disposent néanmoins de modèles empiriques satisfaisants. Par exemple, le noyau peut être assimilé, à certains points de vue, à une goutte liquide incompressible. Cette vision simplifiée qui date de l'origine de la physique nucléaire nous suffira ici (*).

A première vue, les noyaux ne devraient pas exister car ils contiennent en leur sein des particules électriquement chargées, les protons qui devraient se répousser violemment en raison de leur charge électrique de même signe et de leur proximité. Les noyaux doivent leur stabilité à la force attractive nucléaire très intense capable de l'emporter sur la répulsion électrique. Pour être attractive, cette force (appelée interaction forte par les physiciens) requiert que les nombres de protons et de neutrons soient voisins.

Une troisième force (dite interaction faible) ajuste les proportions de ces deux espèces de nucléons pour rendre maximale l'énergie de liaison des nucléons. Soumis aux interactions fortes, électromaglétiques (répulsion électrique) et faibles, les noyaux produits à l'origine de l'univers et dans les étoiles, ont évolué vers la stabilité. Sur une carte représentant tous les noyaux possibles, les éléments naturels se répartissent le long d'une ligne, dite ligne de stabilité, allant de l'hydrogène à l'uranium.