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La vallée de stabilité



Emissions bêta : s'alléger pour acquérir de la stabilité ...

La masse du noyau est reliée à son énergie interne par la relation d'Einstein. Elle détermine sa stabilité. L'élément le plus stable d'une série de noyaux comportant le même nombre de nucléons est celui dont la masse est la plus petite.

La famille de noyaux comportant 127 nucléons montre la relation entre masse et stabilité.

L'élément stable en est le noyau d'iode-127, avec 53 protons et 74 neutrons. Cette répartition correspond à la plus petite masse des noyaux de la famille.

Au creux de la vallée ...
Dans la famille des noyaux à 127 nucléons, seul le noyau d’iode-127 est stable. Si l’on représente les énergies de masse (mc2) des noyaux de cette famille, la courbe des masses a l'allure d'une vallée. Le nombre de protons augmente de gauche à droite, de 49 (indium) à 57 (lanthane), alors que celui des neutrons diminue de 78 à 70. L’énergie de l’iode-127 étant prise comme 0, les différences d’énergies sont exprimées en millions d’électronvolts. Les noyaux sur le flanc gauche de la vallée, excédentaires en neutrons retrouvent la stabilité par une suite de désintégrations bêta-moins, ceux du flanc droit (excédentaires en protons) par une suite de désintégrations bêta-plus.
IN2P3

La courbe de masse en fonction du nombre de protons a l'allure d'une parabole. Considérons sur le flanc gauche, l'isotope de l'étain Sn-127 contenant 3 neutrons de plus que l'iode-127 stable et 3 protons de moins soit 50 protons et 77 neutrons.

En raison de ces neutrons supplémentaires, cet isotope possède un excédent d'énergie interne par rapport à l'iode-127.

La nature fait appel aux forces dites « faibles » pour transformer des neutrons en protons. La transformation, s'accompagne de la production d'un électron et d'un antineutrino. C'est un processus difficile, relativement lent, mais économique en énergie.

L'énergie nécessaire à la création d"un électron et d'un antineutrino est prélevée sur la différence des énergies de masse du noyau père et du noyau fils. Elle doit être supérieure à la somme des énergies de masse de l'électron et de l'antineutrino. La masse de l'antineutrino étant nulle, cette somme se réduit à l'énergie de masse de l'électron, 0,511 MeV. Une désintégration bêta ne coûte que 0,511 MeV (510 000 électronvolts) beaucoup moins que les 7 à 8 millions d'électronvolts (MeV) requis pour l'expulsion d'un neutron, le processus concurent.

L'énergie dégagée par la transformation doit dépasser ce seuil de 0,51 MeV pour se produire, une condition vérifiée dans le cas du fort excès de neutrons de l'étain 127. Ce noyau à 77 neutrons se transforme donc en antimoine (76 neutrons), puis en Tellure (75 neutrons) avant d'aboutir à l'isotope stable à 74 neutrons. Les émissions d'électrons, d'abord très rapides, se ralentissent à mesure que l'on se rapproche de l'équilibre.

En partant de l'autre flanc de la parabole (noyau de baryum Ba-127), on observerait une cascade de transformations de protons en neutrons, avec l'expulsion d'électrons positifs (positons) et de neutrinos. Le scénario est général quel que soit le nombre de nucléons. Si on ajoute comme troisième dimension à la carte des noyaux, l'énergie de masse divisée par le nombre de nucléons, la surface obtenue prend l'aspect d'une profonde vallée appelée vallée de stabilité , au fond de laquelle se retrouvent les noyaux les plus stables.

Vue de la vallée de stabilité
Dans cette carte des noyaux, on prend pour "altitude", l'énergie de masse moyenne (Mc2/A) représente l'énergie de masse moyenne d'un nucléon dans le noyau. Plus cette énergie est faible, plus le noyau est stable. Les noyaux stables se retrouvent sur une ligne définissant le fond de la vallée, entourée de noyaux excédentaires en neutrons (en rose), en protons (en bleu) et de noyaux trop lourds (orange).
CEA-Irfu

Un des flancs de la vallée est peuplé par des noyaux radioactifs émetteurs d'électrons, l'autre par des noyaux émetteurs de positons. Au-delà de 209 nucléons, l'élément le plus stable devient lui-même instable. Les noyaux deviennent trop lourds. C'est le domaine de la radioactivité alpha.

Vidéo CEA - Vallée de Stabilité : durée 14 minutes.


Les 7 premières minutes introduisent la carte des noyaux, la vallée de stabilité et les domaines de radioactivité alpha et bêta. Les 2 minutes 30 suivantes sont consacrées à la synthèse des noyaux : "le creuset stellaire". La fin de la vidéo présente la vision moderne du noyau des physiciens.


On trouvera également sur le site du CEA-Irfu cette autre vidéo introduisant la carte des noyaux, la vallée de stabilité avec les modes de désintégrations possibles : (Accès à la vidéo)