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Radioactivité α (effet tunnel)



Corpuscule et onde : un effet de la mécanique quantique

Le très grand âge des noyaux d'uranium et de thorium qui atteignent des milliards d'années témoigne que les désintégrations alpha se produisent difficilement, bien qu'elles libèrent des millions d'électronvolts d'énergie.

Ces noyaux seraient parfaitement stables sans un mécanisme laborieux qui vient à bout des forces nucléaires et déclenche une désintégration. L'effet attractif de la colle nucléaire cesse brutalement hors du noyau. Si quatre nucléons, groupés en une particule alpha, arrivent à perdre le contact avec les autres nucléons, ce groupe ne ressent plus que la répulsion due à la charge électrique du reste du noyau. Il s'en éloigne alors de plus en plus vite pour acquérir l'énergie cinétique de quelques millions d'électronvolts dont il a été question. Le tout est d'arriver à perdre ce contact.

Un "puits" de potentiel ...
La désintégration alpha du Polonium-212 est celle qui dégage le plus d'énergie, 8,95 MeV. Cette désintégration est pourtant interdite par la mécanique classique. Il est impossible pour une particule alpha de passer de l'intérieur du noyau en A à l'extérieur en B. Elle se retrouve prisonnière au fond d'un « puits » comme le montre la courbe (en gris) qui représente l'énergie potentielle d'interaction entre la particule et le reste du noyau. Pour aller de A en B, la particule doit franchir une zone interdite où son énergie cinétique serait négative. Les zones permises sont le puits où l'attraction nucléaire prédomine, et l'extérieur du puits où la répulsion due à la charge du noyau l'emporte.
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On doit à un physicien américain d'origine russe, George Gamow, la première explication de la désintégration alpha, une désintégration qui n'est pas autorisée par les lois de la physique classique.

Le mécanisme proposé par Gamow a été appelé "effet tunnel". Pour simplifier la présentation de l'effet tunnel, nous supposerons que la particule alpha préexiste dans le noyau, comme le fit George Gamow à l'époque

L'effet tunnel s'explique par la mécanique quantique dont les règles se substituent à celles de la mécanique classique, dans le domaines de l'infiniment petit de la physique atomique et de la physique nucléaire. C'est ainsi que la mécanique quantique considère un minuscule objet comme une particule alpha à la fois comme un corpuscule et comme une onde.

La particule alpha se retrouve dans la situation d'un alpiniste, prisonnier d'un cratère, qui n'a plus de forces pour gagner le sommet, passer sur l'autre versant et dévaler vers la vallée. La barrière à franchir figure la compétition entre la colle nucléaire attractive et la répulsion électrostatique. Sur le versant intérieur, l'attraction nucléaire l'emporte ; sur l'autre c'est la répulsion électrostatique. Pour la mécanique classique, la particule alpha ne possède pas l'énergie nécessaire pour franchir la barrière : elle se trouve soit à l'intérieur, soit à l'extérieur du noyau.

L'effet tunnel
L'onde associée à une particule alpha prisonnière à l'intérieur d'un noyau a été superposée à la figure précédente. On voit que l'onde déborde légèrement à l'extérieur du noyau, où l'amplitude des oscillations a été amplifiée pour les rendre visibles. Le carré de l'amplitude des oscillations représente, en mécanique quantique, la probabilité d'observer la particule en un endroit donné. Il existe donc une probabilité d'observer la particule alpha en dehors du noyau, c'est-à-dire une désintégration.
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En mécanique quantique, la situation est moins tranchée. L'onde, qui représente une particule alpha dans le noyau, n'est pas strictement localisée et déborde légèrement de l'autre côté de la barrière. Il existe une probabilité d'observer la particule en dehors du noyau, là où la colle nucléaire ne se fait plus sentir. Cette probabilité est extrêmement petite, mais c'est elle qui permet la désintégration. Pour reprendre l'image de l'alpiniste, l'astuce dont il dispose pour gagner l'autre versant de la barrière montagneuse et trouver la liberté, est de creuser un tunnel à travers celle-ci.

Une loi empirique veut que plus la barrière de potentiel est haute, plus l'épaisseur à traverser est importante et plus le noyau vit longtemps. Ceci explique certaines durées de vie particulièrement longues, comme l'uranium-238 dont la période radioactive est de 4,468 milliards d'années.

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