Analogie avec l’atome : des états d’énergie bien définis.
Spectre gamma
Une conséquence de l’existence de niveaux d’énergie dans les noyaux est l’émission de photons gamma d’énergies caractéristiques. Véritables empreintes digitales, ces gamma sont utilisés pour identifier la présence des noyaux radioactifs dans un échantillon de matière. L’image montre la répartition en énergie des photons sortant d’un tel échantillon, dont les énergies ont été mesurées avec une précision. On aperçoit une suite de raies caractéristiques des éléments présents. Le fond continu est dû à des gamma incomplètement détectés. Il s’agit de gamma car l’énergie de ces photons dépasse la centaine de milliers d’électronvolts, énergie maximale des rayons X issus des atomes.
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Les noyaux sont a priori très différents des atomes. Cent mille fois plus petits, ils sont plus complexes. La matière nucléaire est compacte alors que l’espace atomique est essentiellement constitué de vide. Pourtant noyaux et atomes présentent des traits communs.
Quand le noyau se trouve dans un autre état, il dispose d’un supplément d’énergie. Il retourne à l’état normal (celui de repos maximum) et se débarrasse de son énergie d’excitation en émettant un photon d’énergie caractéristique, appelé photon γ ou gamma .Ces photons sont de même nature que les photons et rayons X émis par les atomes, mais leur énergie est beaucoup plus grande : couramment de l’ordre du million d’électronvolts (MeV).
Niveaux d’énergie du Nickel-60
Ce diagramme représente l’échelle des énergies d’excitation permises pour un noyau de nickel-60, issu de la désintégration du cobalt-60. Le niveau le plus bas, appelé niveau fondamental, correspond à l’état de repos. Quand le noyau est dans un niveau excité (l’un des barreaux de l’échelle), il retourne immédiatement au niveau fondamental en émettant un ou plusieurs gamma d’énergies caractéristiques. Ces énergies sont obtenues en faisant la différence des énergies de départ et d’arrivée, définies très précisément. Les transitions en cascade numérotées 4 et 5 , 1000 fois plus fréquentes que les autres ont été représentées par des flèches jaunes.
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Les états d’énergie de la communauté de nucléons assemblée en noyau sont variés. Tout d’abord, on observe, comme dans l’atome, l’existence de couches. Les énergies de liaison des nucléons du noyau ne peuvent prendre qu’une suite de valeurs imposées correspondant à autant de « couches ».
Par exemple, des configurations avec 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 nucléons d’une espèce confèrent une stabilité plus grande au noyau. Il y a analogie avec la stabilité des atomes de gaz rares dont la couche externe est complète. Ces nombres sont dits « magiques ».
Les noyaux sont également gouvernés par les lois de la mécanique quantique qui prennent le pas sur celles de la mécanique classique à l’échelle microscopique. Le noyau ne peut se retrouver que dans un nombre limité d’états. Ces « états » sont caractérisés en premier lieu par une énergie. L’état que le noyau finit par atteindre quand il est livré à lui-même est celui dont l’énergie est minimum : c’est l’état « fondamental ».
Spectre gamma du cobalt-60
Les états excités du Nickel-60 sont atteints lors de la désintégration bêta d’un élément radioactif très utilisé en médecine, le cobalt-60. Lors du retour à l’état fondamental, divers gamma sont émis, selon le chemin choisi par le noyau pour atteindre le repos. Certains sont plus fréquents que d’autres. Dans cet exemple, on observe dans pratiquement 100 % des retours deux gamma émis en cascade d’énergie voisine de 1 MeV . Les autres gamma jouent un rôle marginal. Ces deux gamma d’énergies caractéristiques (1.17324 et 1.33250 MeV) offrent une signature extraordinairement sensible de la désintégration du cobalt radioactif.
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En plus de cette structure en couches, le noyau peut avoir des mouvements collectifs qui correspondent à de nouveaux états. Contrairement à l’atome où l’on peut considérer l’état d’un électron individuel (niveau d’énergie, état de rotation), pour un noyau on ne peut considérer que l’ensemble de ses nucléons.
Ainsi la communauté de nucléons peut entrer en vibration. Les énergies de ces vibrations ne peuvent prendre que des valeurs bien déterminées, en vertu de la mécanique quantique.
Enfin, le noyau n’est pas forcément sphérique, il peut se déformer et subir un mouvement de rotation collectif. Les énergies de ces états de rotation ne peuvent également prendre qu’une série de valeurs déterminées. On dit qu’elles sont quantifiées.
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