Carte des noyaux stables et instables
Carte des noyaux connus en 1940
Carte montrant les nucléides qui étaient connus avant 1940. Ces noyaux stables ou quasi-stables suivent une ligne qui correspond au fond de la vallée de stabilité. Cette ligne se termine avec l’uranium-238 composé de 92 protons et 146 neutrons, le noyau naturel le plus lourd, lui-même radioactif. La zone en jaune correspond aux nucléides connus aujourd’hui et qui sont beaucoup plus nombreux.
© NUCLEUS
Les progrès de la physique nucléaire et les connaissances accumulées durant plusieurs décennies ont permis de répertorier 287 espèces nucléaires (ou nucléides) « naturelles » (stables ou quasi-stables) et plus de 2800 nucléides radioactifs. Certains radioéléments ont des temps de vie si brefs qu’ils ont à peine le temps de s’entourer d’électrons et de former un atome. Les spécialistes ont l’habitude de répertorier tous les nucléides sur une carte en fonction des nombres de leurs constituants, neutrons et protons. Pour les physiciens nucléaires la carte des noyaux est une vraie Bible !
Comme les cartes géographiques indiquant le relief, la carte peut être enrichie en indiquant le degré de stabilité du noyau. Ce degré de stabilité est mesuré par l’énergie de liaison des nucléons du noyau.
Carte des noyaux connus aujourd’hui
Les “nucléides” connus aujourd’hui, colorés en fonction de l’année de découverte. Les noyaux instables sont situés de part et d’autre de la ligne de stabilité ainsi que dans son prolongement. Dans ce prolongement (à droite de la carte) on trouve les noyaux « transuraniens » plus lourds que l’uranium (92 protons).
© NUCLEUS
L’énergie de masse moyenne des nucleons dans le noyau est obtenue en divisant l’énergie de masse (mc2) du noyau par le nombre de nucléons. Elle est égale à l’énergie de masse du nucléon moins son énergie de liaison. Dans une carte en relief où l’on prendrait comme ‘altitude’ l’énergie de masse moyenne des nucléons dans les noyaux, les noyaux stables ou quasi stables se répartissent sur la carte au fond d’une sorte de vallée appelée vallée de stabilité.
La vallée part des noyaux légers et va jusqu’aux noyaux lourds comme le plomb et au delà si l’on considère des noyaux à très longues durées de vie comme l’uranium et le thorium. Pour les noyaux légers, il y a une égalité ou quasi-égalité entre les nombres de protons et neutrons. Pour des noyaux moyens et lourds, on observe un excès croissant de neutrons. A titre d’exemple un noyau léger comme l’oxygène comporte 8 protons et 8 neutrons, un noyau très lourd comme l’uranium-238 92 protons et 146 neutrons.
Au bout de la vallée, le noyau stable le plus lourd est le Plomb-208 avec 82 protons et 126 neutrons. Au-delà, on trouve des noyaux instables, des noyaux trop lourds qui se désintègrent en noyaux plus petits. Mais ces désintégrations peuvent être lentes et sans être stables, des noyaux comme le bismuth-209, le thorium-232, l’uranium-235 et 238 sont encore présents dans l’écorce terrestre. Le nucléide naturel le plus lourd est l’uranium-238 avec 92 protons et 136 neutrons.
Courbe d’Aston
L’énergie de liaison par nucléon représente l’énergie à dépenser en moyenne pour arracher un nucléon d’un noyau. C’est un étalon de la stabilité d’un noyau. Cette courbe de l’énergie de liaison en fonction du nombre de nucléons porte le nom du physicien anglais F.W.Aston, qui fut un des pionniers des mesures de masse des noyaux et obtint un prix Nobel en 1922. Un classique de la physique nucléaire, la courbe d’Aston montre que pour les noyaux naturels il faut dépenser environ 8 MeV pour arracher un nucléon et que l’énergie de liaison passe par un maximum de 8,8 millions d’électronvolts (MeV) pour le nickel-62 et diminue ensuite lentement pour atteindre 7,6 millions d’électronvolts pour l’uranium.
© IN2P3
L’énergie de liaison moyenne par nucléon est un étalon de la stabilité du noyau. Cette quantité est fonction de sa taille et de sa composition. Elle est nulle pour le noyau d’hydrogène réduit à un seul proton. Les noyaux très légers sont peu liés à l’exception remarquable de l’hélium-4 ou particule alpha dont l’énergie de liaison de 7 MeV (millions d’électronvolts) par nucléon est très supérieure à celle de ses voisins, deutérium, tritium, hélium-3, lithium. Cette particulière stabilité explique l’émission de particules alpha par des noyaux lourds.
L’énergie de liaison par nucléon croît d’une manière générale avec la taille du noyau pour atteindre un maximum de 8,8 millions d’électronvolts pour le nickel (Nickel-62) qui est le plus stable des nucléides. Elle diminue ensuite lentement pour atteindre 7,6 MeV pour l’uranium.
SUITE : Vallée de stabilité
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