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Noyau exotique[modifier | modifier le code]

Un noyau exotique est un noyau atomique qui n'existe pas à l'état naturel parce qu'il est de durée très courte (jusqu'au milliardième de seconde) et ne peut être observé qu'immédiatement après sa création par des dispositifs expérimentaux dédiés[1]. Les noyaux exotiques sont donc créés artificiellement dans des accélérateurs de particules, comme en France le GANIL basé à Caen. Les noyaux exotiques se situent sur les bords de la vallée de la stabilité; ils se caractérisent par un rapport N/Z (ratio du nombre des neutrons sur celui des protons) très différent de celui des noyaux stables ; on distinguera donc les noyaux déficients en neutrons (N/Z < 1) ou au contraire ceux riches en neutrons (N/Z >1). Les noyaux superlourds ont un nombre de protons (Z >100), qui les situent à la limite extrême de la vallée de la stabilité.

Vallée de stabilité nucléaire - Les noyaux stables au fond de la vallée sont en noir ; les couleurs distinguent les modes de désexcitation des noyaux radioactifs. On considère comme "exotiques", les noyaux les plus éloignés dont la durée de vie est très brève et dont la structure peut être éloignée de celle des noyaux stables.

En raison de ces caractéristiques, certains "développent des structures inhabituelles (grande extension de matière, halo ou peau de neutrons, couches présentant de nouveaux nombres magiques)"[2].

Objectifs scientifiques[modifier | modifier le code]

Il n' y a pas de modèle unique permettant de déduire les propriétés du noyau atomique à partir des interactions fondamentales (interactions nucléaires forte et faible et interaction coulombienne)[3]. Les noyaux exotiques sont des tests des modèles du noyau atomique et de la matière nucléaire loin de la zone de stabilité ; même s'ils ont une durée de vie très faible, ils jouent un rôle dans la nucléosynthèse stellaire, la chaîne de réactions nucléaires conduisant aux 286 nucléides stables de notre univers[4].

Voyage dans la vallée de stabilité[modifier | modifier le code]

Pour recréer des noyaux exotiques à partir des noyaux stables, il faut modifier leurs ratios N/Z, tout en leur donnant le minimum d'énergie d'excitation. Les noyaux ayant une charge électrostatique positive, l'obstacle à franchir pour les faire interagir avec des protons ou d'autres noyaux est la barrière coulombienne (électrostatique).

Capture neutronique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Capture neutronique.

Insensibles aux forces électrostatiques, les neutrons sont plus facilement absorbés par les noyaux, notamment les neutrons dits thermiques. L'absorption d'un neutron donne un isotope du noyau initial dans un état excité, qui revient à son niveau fondamental par émission d'un photon (ou de plusieurs). Si l'isotope est instable, il se transforme par radioactivité (β-, β+ ou α), par émission d'un proton ou d'un neutron, ou par fission, selon sa position dans la vallée de la stabilité (voir figure).

Par exemple, l'absorption d'un neutron par un noyau d'or 197Au donnera un isotope 198Au après émission d'un photon (réaction nucléaire 197Au(n,γ)198Au) ; cet isotope radioactif se désintègre en198Hg (demi-vie 2,7 jours) par émission d'un électron (β-).

La capture neutronique n'est efficace pour créer des noyaux très riches en neutrons que dans les conditions extrêmes des étoiles en fin de vie (processus r), où les flux de neutrons sont tels que les noyaux peuvent absorber plusieurs neutrons avant de se désexciter.

Réactions entre noyaux[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Réactions nucléaires avec des ions lourds.

Les accélérateurs sont utilisés pour vaincre la barrière coulombienne et provoquer les réactions nucléaires ; selon les noyaux du faisceau et de la cible considérés et selon l'énergie du faisceau, il y a 3 processus susceptibles de créer à partir de noyaux stables des noyaux avec des rapports N/Z nouveaux :

Réactions de transfert[modifier | modifier le code]

Dans des réactions périphériques, des échanges d'un (ou quelque nucléon(s) entre le projectile et la cible : par exemple, l'échange de charge A
ZX (p,n) A
Z-1Y ou le transfert de nucléons A
ZX (α,n) A+3
Z+2Y (voir réaction nucléaire). Partant de noyaux stables, ces réactions ne permettent pas de créer des noyaux très loin de la stabilité.

Fusions induites (noyau composé)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Noyau composé.

Dans les collisions centrales entre noyaux lourds, aux énergies modérées (de l'ordre de la dizaine de MeV/A), les 2 noyaux peuvent fusionner pour former un noyau composé (qui a "oublié" la structure des noyaux initiaux) ; ce noyau peut "exister" pendant une durée de vie suffisamment longue (10-20 à 10-14 seconde) pour être en équilibre, avant de se désintégrer par radioactivité ou fission (voir infra). Son ratio neutron/proton (Z1+Z2)/(N1+N2) peut s'éloigner notablement des ratios des noyaux initiaux. Cependant la courbure de la vallée de la stabilité oriente la production de noyaux exotiques vers ceux déficients en neutrons.

Fission et multifragmentation[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Fission nucléaire et Matière nucléaire (physique).

Lorsque l'on scinde un noyau très lourd (donc avec un ratio N/Z >1) en fragments légers ayant le même ratio, ceux-ci se retrouvent donc avec un excès de neutrons par rapport aux noyaux stables de masse comparable (N/Z≈1).

Distribution (approximative) des fragments de fission de l' U235

La fission peut être une voie de désexcitation d'un noyau composé (voir supra) ou résulter de l'impact d'une particule légère sur un noyau lourd. C'est un processus statistique qui conduit à une distribution de noyaux centrée autour d'un pic correspondant à la moitié de la masse du noyau initial (fission symétrique) ou de 2 pics (fission asymétrique, voir figure). La fission produit une grande variété de noyaux radioactifs, surtout riches en neutrons.

A plus haute énergie (de l'ordre de 100 MeV/A ou plus), dans les collisions périphériques ou intermédiaires (voir réactions nucléaires avec des ions lourds), le projectile arrache une partie du noyau cible (spallation) ; le noyau résiduel, plus léger mais très excité, a un excès de neutrons. dans les collisions plus centrales, il y a formation d'une zone de matière nucléaire très excitée, qui se décompose en plusieurs fragments nucléaires. Ce processus très énergétique, hors équilibre, donne une distribution statistique de fragments avec une grande dispersion en masse et en ratio N/Z.

Les faisceaux radioactifs[modifier | modifier le code]

Les noyaux loin de la stabilité sont créés dans des processus très énergétiques qui produisent une très grande diversité de fragments nucléaires. Pour étudier expérimentalement tel ou tel de ces noyaux, des dispositifs spécifiques sont nécessaires pour les trier, les identifier et analyser leurs propriétés, dans un temps très bref vu leur faible durée de vie (ordre de grandeur la milliseconde, voire le millionième de seconde)[5].

Schéma de principe des 2 méthodes de base pour la création de faisceaux radioactifs (d'après R.Blumenfeld et al. Phys.Scr. T152 (2013) 014023)

Les 2 techniques de base[6] sont respectivement :

  • La séparation en vol : un faisceau de haute énergie impacte une cible mince ; généralement en cinématique inverse. Les produits de la réaction, de grande vitesse dans le laboratoire, sont triés en vol (masse et charge) par des techniques de spectrométrie magnétique.
  • La technique dite ISOL (Isotope Separation On-Line) de séparation des isotopes en ligne, un faisceau de noyaux légers de haute énergie impacte une cible épaisse qui stoppe les produits de réaction. La cible étant à haute température, les produits de réaction diffusent ; ils sont collectés, ionisés et réaccélérés pour analyse ou pour effectuer des réactions secondaires.

Des sites de production de faisceaux radioactifs se sont développés dans le monde. Les principaux utilisant la technique de séparation en vol sont[5] : GANIL (Caen, France) faisceau primaire jusqu'à 100 MeV/A ; GSI (Darmstadt, Allemagne) jusqu'à 2GeV/A; NSCL/MSU (East Lansing, USA) jusqu'à 200 MeV/A et RARF/Riken (Tokyo, Japon) jusqu'à 100 MeV/A.

La principale installation (précurseur) du type ISOL est ISOLDE[7] du CERN couplé à un accélérateur de proton de 600 MeV. En France, SPIRAL au GANIL a démarré au début des années 2000 ; la phase 2 (SPIRAL2) devrait faire du GANIL une des sources les plus intenses au monde de faisceaux radioactifs.

Noyaux exotiques notables[modifier | modifier le code]

Parmi les milliers de noyaux radioactifs étudiés en laboratoire, certains sont plus particulièrement ciblés en raison des challenges qu'ils posent aux modèles théoriques du noyau atomique ou de la matière nucléaire loin de l'équilibre[8].

Les noyaux magiques[modifier | modifier le code]

Les atomes dont les couches d'électrons sont complètes sont difficilement ionisables et très peu réactifs chimiquement (les gaz rares). De manière analogue, le modèle en couches prévoit une énergie de liaison supérieure (et donc une durée de vie accrue pour les noyaux instables), pour les noyaux dont les couches sont complètes. Les nombres magiques pour les protons et/ou les neutrons sont N ou Z = 2, 8, 20, 50, 82, 126 (cf figure de la vallée de stabilité). Les noyaux magiques ont une valeur de N ou Z égale à un nombre magique ; les noyaux doublement magiques ont une valeur de N et de Z égales à un nombre magique. Les nucléides magiques en nombre de protons sont
2He,
8O,
20Ca,
28Ni,
50Sn,
82Pb ; à ce jour aucun noyau superlourd[9] à 126 protons n'a pu être détecté. Parmi les isotopes d'un élément, les nucléides magiques en neutrons auront une stabilité accrue.

Les noyaux stables et doublement magiques sont 4
2He, 16
8O, 40
20Ca. Au-delà, en raison de la courbure de la vallée de la stabilité vers les noyaux riches en neutrons, des noyaux doublement magique comme 56
28Ni, 100
50Sn, 132
50Sn sont instables, le doublement magique 164
82Pb n'existe pas, mais le doublement magique 208
82Pb est stable avec 82 protons et 126 neutrons.

  • L'étain Sn est le recordman de la stabilité avec 39 isotopes connus, dont 10 stables.
  • Le calcium a 24 isotopes connus, dont 5 stables et 2 à durée de vie tellement longue qu'ont peu les considérer comme stables à notre échelle de temps. Le 48
    20    Ca     est particulièrement intéressant pour les expérimentateurs ; de durée de vie d'environ 5 1019 années , c'est un candidat idéal pour les réactions de fusion avec des noyaux très lourds, en raison de son excès de neutrons (voir infra).
  • En 2021, le noyau doublement magique 48
    28    Ni     (très déficient en neutrons) a été produit au GANIL[10] (la fragmentation de 1017 noyaux de 56
    28    Ni     a permis d'en détecter 4 exemplaires). Cette production est la dernière d'une longue liste de noyaux nouveaux créés et/ou étudiés au GANIL[11].

Les noyaux superlourds[modifier | modifier le code]

Article détaillé : transuranien.

Le nucléide stable le plus lourd est l'uranium, sous la forme la plus abondante 238
82U. Au delà, le champ coulombien rend les noyaux instables à la fission ou la radioactivité α. La durée de vie des noyaux transuraniens (Z>92) devient de plus en plus courte. Cependant les théoriciens conjecturent que des noyaux magiques ou doublement magiques autour des charges Z = 120 pourraient avoir une durée de vie plus longues (être stables ?). Une recherche expérimentale intensive est faite pour les mettre en évidence, par des réactions de fusion très près de la barrière coulombienne, pour que le noyau composé soit le moins excité possible.

Le dernier élément identifié, auquel on a donné le nom du physicien russe Oganessian, est l'oganesson 294
118Og, produit au FLNR de Dubna (Russie) par la réaction de fusion du faisceau de 48
20Ca sur une cible de 249
98Cf : réaction 249Cf(48Ca,3n)294Og[9].

Les noyaux déformés[modifier | modifier le code]

Dans leur état fondamental, les noyaux sont loin d'être tous des structures de symétrie sphérique. Depuis les débuts de la spectroscopie nucléaire, les expérimentateurs ont mis en évidence des spectres d'excitation typique de noyaux déformés en rotation[12]. Dans la plupart des cas, les formes des noyaux déformés sont des ellipsoïdes de révolution (ballon de rugby ou disque).

Cependant pour les noyaux loin de la stabilité, les neutrons (ou protons) en excès peuvent des extensions spatiales très importantes (voir article Noyau à Halo). Enfin, les noyaux légers peuvent avoir une structure de type moléculaire, chaînes ou structure 3D de noyaux d'4He (voir article Structure_nucléaire#Modèles_en_agrégats).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Philippe Chomaz, « Des noyaux exotiques aux faisceaux radioactifs », Pour La Science, Hors-série,‎

Références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ (en) Philippe Chomaz, « Introduction: The Terra Incognita of exotic nuclei », Comptes Rendus Physique, vol. 4, nos 4-5,‎ , p. 419–432 (ISSN 1631-0705, DOI 10.1016/S1631-0705(03)00058-6, lire en ligne, consulté le )
  2. ↑ « Les noyaux exotiques », sur irfu.cea.fr (consulté le )
  3. ↑ Voir article structure nucléaire
  4. ↑ Filomena M. Nunes, « Why are theorists excited about exotic nuclei? », Physics Today, vol. 74, no 5,‎ , p. 34–40 (ISSN 0031-9228, DOI 10.1063/PT.3.4748, lire en ligne, consulté le )
  5. ↑ a et b (en) Y. Blumenfeld, T. Nilsson et P. Van Duppen, « Facilities and methods for radioactive ion beam production », Physica Scripta, vol. T152,‎ , p. 014023 (ISSN 1402-4896, DOI 10.1088/0031-8949/2013/T152/014023, lire en ligne, consulté le )
  6. ↑ (en) « Radioactive beams », Nuclear Physics A, vol. 752,‎ , p. 532–539 (ISSN 0375-9474, DOI 10.1016/j.nuclphysa.2005.02.135, lire en ligne, consulté le )
  7. ↑ (en) « On Line Isotope Mass Separator » (consulté le )
  8. ↑ D. Delbecq, « L’étonnante diversité des noyaux », La Recherche,‎ , p. 36-41 (lire en ligne)
  9. ↑ a et b « Les noyaux superlourds », sur irfu.cea.fr (consulté le )
  10. ↑ B. Blank, M. Chartier, S. Czajkowski et J. Giovinazzo, « Discovery of Doubly Magic Nickel-48 », Physical Review Letters, vol. 84, no 6,‎ , p. 1116–1119 (DOI 10.1103/PhysRevLett.84.1116, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ « Carte des noyaux montrant les découvertes du GANIL depuis les années 2000. » (consulté le )
  12. ↑ Luc Valentin, Noyaux et particules : modèles et symétries, Hermann, (ISBN 2-7056-6096-8, OCLC 20843359, lire en ligne), chap. X - Spectroscopie nucléaire

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