De la matière aux noyaux radioactifs
Les atomes au cœur de la matière
Vue au microscope, la matière apparaît comme un ensemble d’atomes qui peuvent sembler désorganisés , par exemple dans le cas d’une goutte d’eau, ou bien organisés suivant des structures très régulières comme dans le cas du sel de cuisine.
Alors que l’atome a une dimension très petite, plus de 99 % de sa masse est concentrée dans un volume encore 100 mille fois plus petit appelé le noyau atomique. Le reste de la masse de l’atome est dû à des particules très légères et chargées négativement appelées électrons ([-]).
Le noyau atomique est lui-même constitué de deux types de particules : le proton ([+]) qui est une particule chargée positivement, et le neutron ([0]) qui comme son nom l’indique n’a pas de charge électrique.
Un atome étant électriquement neutre, le nombre d’électrons chargés négativement qui tournent autour du noyau est exactement égal au nombre de proton dans le noyau : [+] + [-] = [0]. Lorsque l’on arrache ou bien lorsque l’on ajoute un électron à un atome, on le transforme en ion, c’est-à-dire en un atome chargé négativement ou bien positivement.
De l’atome au noyau
Le nombre de protons que compte un noyau d’atome permet de déterminer à quel type d’élément chimique cet atome appartient.
Dans l’Univers , on compte à peu près une centaine d’éléments chimiques différents :
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Noyaux stables et noyaux radioactifs
Le noyau de l’atome est un objet très simple en apparence, seulement constitué de deux types de particules différentes. Cependant, c’est un objet extrêmement dense qui peut contenir un grand nombre de protons dont la charge électrique identique voudrait qu’ils se séparent les uns des autres.
La cohésion du noyau de l’atome ne tient qu’aux forces nucléaires qui agissent sur les protons et les neutrons comme une sorte de colle forte. C’est une colle assez capricieuse puisque, pour un nombre de protons donnés, il faut un certains nombre de neutrons pour qu’elle fonctionne : s’il n’y en a pas assez ou bien s’il y en a trop, la colle ne fonctionne plus et le noyau se désintègre. On parle alors de noyau radioactif.
Animation : Le Becquerel
Animation réalisée par le CEA
Le phénomène de radioactivité est ainsi associé à la transformation d'un noyau qui cherche à devenir plus stable. Parmi les différents modes de radioactivité possibles, le noyau radioactif choisira celui ou ceux qui lui permettront le plus rapidement de gagner en stabilité. La durée de vie du noyau radioactif ne dépend ainsi que de la facilité avec laquelle il peut se transformer en un noyau plus stable.
Animation : De l'atome à la Radioactivité
Animation réalisée par le CEA
La notion d’isotope
Pour presque tous les éléments chimiques, il existe plusieurs combinaisons de protons et de neutrons qui permettent d’assurer la stabilité du noyau de l’atome.
Exemple : l’oxygène que l’on respire se présente sous trois formes différentes
Ces trois combinaisons constituent les trois isotopes stables de l’oxygène. Toutes les autres combinaisons conduisent à un isotope instable de l’oxygène, c’est-à-dire à un noyau d’oxygène radioactif.
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Au GANIL, toutes les combinaisons possibles et imaginables ont été testées. On a ainsi produit des noyaux d’oxygène contenant de 5 à 16 neutrons. Leur durée de vie varie de 13 millièmes de seconde à près de 2 minutes, ce qui est largement suffisant pour étudier leurs propriétés. Les isotopes de l’oxygène contenant moins de 5 neutrons ou bien plus de 16 neutrons sont quant à eux tellement instables qu’ils se désintègrent instantanément : pour le physicien qui n’a pas le temps de les observer, c’est comme s’ils n’existaient pas.
Production de noyaux radioactifs
Un moyen simple de produire des noyaux radioactifs consiste à casser en plusieurs morceaux des noyaux stables. C’est cette technique qui est mise en œuvre au GANIL.
En pratique, on prépare une grande quantité d’atomes d’un élément chimique donné que l’on transforme en ions en leur arrachant plusieurs électrons. C’est le rôle de la source d’ions.
Les ions étant des particules chargées, on peut alors les accélérer au moyen d’accélérateurs de particules et les projeter violemment sur un morceau de matière contenant lui-même des atomes. De temps en temps, le noyau d’un ion accéléré percute le noyau d’un atome de la cible et se casse en plusieurs fragments : on produit ainsi des ions dont le noyau sera stable ou radioactif suivant sa composition.
Il ne s’agit plus alors que de sélectionner les ions radioactifs que l’on veut étudier : ce tri est effectué par des équipements appelés spectromètres qui permettent de manipuler les ions au moyens de champs électriques et magnétiques.
Etude des noyaux radioactifs
Dans le cas le plus simple, on cherche seulement à déterminer combien de temps vit le noyau radioactif que l’on a produit, ou de quelle manière il se désintègre. On se contente alors de l’acheminer jusque dans une salle d’expérience dans laquelle des détecteurs permettront d’observer sa transformation.
Si l’on s’intéresse à la forme du noyau radioactif ou bien à la manière dont les protons et les neutrons sont organisés dans le noyau, on fera plutôt interagir celui-ci avec les noyaux d’une nouvelle cible autour de laquelle on aura disposé des détecteurs.
