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Mécanismes de la radioactivité



Ses origines : les forces nucléaires à l’œuvre ...

Mécanisme des forces faibles
La mécanique quantique autorise durant des durées ultra courtes des transformations énergétiquement interdites. Elle autorise ainsi un neutron à se transformer transitoirement en proton accompagné d'une particule négative, appelée boson W. Durant la durée infime passé dans cet état intermédiaire, le boson W peut se désintègrer en électron et antineutrino. Dans ce cas, la transformation qui libère de l'énergie devient définitive. La probabilité combinée de l'état intermédiaire suivie d'une désintégration du boson est minime. Phénomène difficile, la transformation d'un neutron en proton (ou son inverse) dans les noyaux est généralement lente. Les physiciens nucléaires appellent faibles les forces qui en sont responsables. Le boson W a été observé pour la première fois en tant que particule en 1983 au CERN.
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La diversité des temps de vie, qui vont de la fraction de seconde aux milliards d'années, témoigne de la complexité des mécanismes à l'origine de la radioactivité : un temps de vie court témoigne d'une désintégration facile, un temps de vie long d'une désintégration difficile. Ces mécanismes font intervenir les trois catégories de forces à l'œuvre dans le noyau : les forces nucléaires, électromagnétiques et faibles.

Le facteur principal d'une désintégration est l'énergie disponible. Plus cette énergie est grande, plus la désintégration sera facile et rapide. Mais d'autres lois de conservation sont à respecter, qui peuvent contribuer à interdire ou freiner certaines transformations du noyau.

La compétition entre les forces attractives et répulsives dans les noyaux est le facteur qui freine les désintégrations alpha. Lors de l'émission d'une particule alpha, cette dernière est attirée par les nucléons qui constituent le reste du noyau. Pour s'échapper, elle doit trouver un moyen de sauter la barrière résultant de cette attraction.

Les désintégrations bêta sont difficiles car elles requièrent la transformation d'une espèce de nucléon dans une autre et la création d'électrons ou de positons accompagnés de leurs neutrinos. Cette création de corpuscules qui n'existent pas dans le noyau se fait sous l'action de forces dont l'intensité est marginale par rapport à l'attraction nucléaire ou la répulsion électrique des protons. Elles sont appelées « forces faibles » pour cette raison. Malgré leur marginalité, ces forces jouent un grand rôle car elles permettent au noyau de se transformer pour acquérir plus de stabilité.

Les émissions de photons gamma accompagnent fréquemment les désintégrations alpha et bêta ou la capture de neutrons par des noyaux. Simples réorganisations du noyau, ces desexcitations sont d'origines électromagnétiques. Elles sont quasiment immédiates, en dehors de cas exceptionnels comme celui du technétium, un autre exemple du ralentissement de certaines transformations nucléaires.

Ce technétium-99 est issu de la désintégration bêta d'un noyau de molybdène-99. La désintégration laisse le noyau dans un état excité. Le retour à l'état fondamental avec émission de gamma est d'ordinaire immédiat, mais dans le cas du technétium elle met six heures à se produire, la transition de l'état excité à l'état fondamental étant quasi interdite Cette curiosité de la physique fait du technétium 99 un pur émetteur de gamma, un outil idéal de radiodiagnostic en Médecine Nucléaire.