Radioactivite alpha (α)

Comment des noyaux trop lourds perdent du poids …

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.

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 radioactives  des désintégrations alpha sont généralement très 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.