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Radioactivite alpha (α)



Où comment des noyaux trop lourds perdent du poids ...

Exemple de la désintégration historique du radium-226
Ce gros noyau de 226 nucléons, dont 88 protons et 138 neutrons, émet une particule alpha composée de deux protons et deux neutrons. Il se transforme alors en noyau de radon-222, lui-même radioactif, contenant deux protons et deux neutrons de moins. La désintégration libère 4,6 millions d’électronvolts d’énergie. La particule alpha en emporte les 222/226 ièmes et le radon 4/226 ièmes. Il faut attendre la désintégration 2300 ans en moyenne.
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La radioactivité alpha (α) fut d'abord observée comme un rayonnement de type inconnu, dévié par des champs électriques et magnétiques. Le sens des déviations indiquait qu'il était transporté par des particules ayant des charges électriques positives. Ernest Rutherford identifia en 1908 ces particules « alpha » à des noyaux d'hélium composés de 2 protons et 2 neutrons, donc de charge électrique +2e.

L'émission d'une particule alpha concerne surtout les très gros noyaux, dont le plus gros observé dans la nature est celui de l'uranium-238 comportant 92 protons et 136 neutrons.

De tels noyaux, instables, émettent un noyau léger d'hélium afin de devenir moins volumineux et ainsi de se rapprocher de la stabilité. Il s'avère que cette manière d'expulser deux protons et deux neutrons groupés est plus économique que d'expulser des protons et des neutrons de manière isolée.

C'est la présence d'une répulsion électrique entre les protons qui limite la taille des noyaux. Cette répulsion croit comme le carré de la charge du noyau (le nombre de protons), plus vite que l'attraction nucléaire qui assure la cohésion du noyau. Quand le noyau grossit, la nature adoucit cette répulsion croissante des protons en augmentant la proportion des neutrons. Le prix à payer est une diminution de la stabilité. Il vient un moment où le noyau préfère expulser un paquet de quatre nucléons.

Analogie avec le recul d'une arme à feu
La cinématique d’une désintégration alpha s’apparente à la cinématique d’une arme à feu, dans laquelle la balle légère emporte beaucoup plus d’énergie que l'arme qui recule. Les quantités de mouvement (produits des masses par la vitesse) du noyau du recul et de la particule alpha se compensent. Les vitesses (v) et les énergies cinétiques (T) sont en raison inverse des masses, donc très inégales. Dans le cas d'un noyau de radium, la particule alpha emporte 98.3 % de l'énergie disponible. Les particules alpha sont dites « monocinétiques » car elles sont toujours émises avec la même énergie.
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L'énergie libérée lors d'une désintégration alpha se retrouve sous forme d'énergie cinétique partagée entre la particule alpha et le noyau qui recule. Comme dans un tir d'artillerie où l'obus emporte pratiquement toute l'énergie de la déflagration, les particules a emportent environ 98 % de l'énergie et le noyau de recul (la culasse du canon) le reste. L'énergie de la particule alpha est unique pour une désintégration donnée. Elle est supérieure à celle des électrons bêta et rayons gamma, de l'ordre de 4 millions d'électronvolts (MeV) ou davantage.

Un exemple de désintégration alpha est celui, historique, du radium-226 qui se transforme en un noyau de radon-222 en éjectant une particule alpha. La réaction libère 4,6 MeV. Le noyau résiduel de radon-222 est un gaz rare lui-même radioactif, ce qui permit à Rutherford de le détecter en 1898 à Montréal.

Les périodes des désintégrations alpha sont souvent longues. Ainsi, certains émetteurs alpha comme le thorium-232 et l'uranium-238 mettent des milliards d'années à se désintégrer. Le radium-226 se désintègre lui avec une période de 1600 ans. La moitié des noyaux de radium contemporains du siège de Paris par Attila en 422 ne se sont donc pas encore désintégrés, bien que le radium soit un élément réputé très radioactif.

Energies et longs temps de vie des alpha
Ce diagramme de l’énergie des alpha émis par quelques uns des principaux émetteurs montre des énergies toujours supérieures à 4 MeV. Plus l’énergie est élevée, plus la durée de vie du noyau est courte. La période varie de façon impressionnante de 14 milliards d’années pour le thorium (à gauche) à une fraction de millionième de seconde pour le polonium-212 (à droite) alors que l’énergie des alpha émis varie seulement de 4,083 à 8,78 Mev. La limite en énergie à 4 Mev et les durées de vie généralement très longues sont expliquées par l’effet ‘tunnel’.
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Les très longues durées de vie qui caractérisent la radioactivité alpha et l'absence de rayons alpha en dessous de 4 MeV s'expliquent par un mécanisme appelé effet tunnel.

Contrairement à la radioactivité bête, l'émission d'un rayon alpha n'est généralement pas accompagnée d'un rayon gamma de désexcitation. Quand c'est le cas l'énergie de ce rayon gamma est faible. C'est une autre manifestation de l'effet tunnel.