Mécanismes de la radioactivité

La diversité des temps de vie, qui vont de la fraction de seconde aux milliards d’années, témoigne de la complexité des mécanismes à l’origine de la radioactivité : un temps de vie court témoigne d’une désintégration facile, un temps de vie long d’une désintégration difficile. Ces mécanismes font intervenir les trois catégories de forces à l’œuvre dans le noyau : les forces nucléaires fortes, électromagnétiques et faibles.

Le facteur principal d’une désintégration est l’énergie disponible. Plus cette énergie est grande, plus la désintégration sera facile et rapide. Mais d’autres lois de conservation sont à respecter, qui peuvent contribuer à interdire ou freiner certaines transformations du noyau.

La compétition entre les forces attractives et répulsives dans les noyaux est le facteur qui freine les désintégrations alpha. Lors de l’émission d’une particule alpha, cette dernière est attirée par les nucléons qui constituent le reste du noyau. Pour s’échapper, elle doit trouver un moyen de sauter la barrière résultant de cette attraction.

Les désintégrations bêta sont difficiles car elles requièrent la transformation d’une espèce de nucléon dans une autre et la création d’électrons ou de positons accompagnés de leurs neutrinos. Cette création de corpuscules qui n’existent pas dans le noyau se fait sous l’action de forces dont l’intensité est marginale par rapport à l’attraction nucléaire ou la répulsion électrique des protons. Elles sont appelées « forces faibles » pour cette raison. Malgré leur marginalité, ces forces jouent un grand rôle car elles permettent au noyau de se transformer pour acquérir plus de stabilité.

Les émissions de photons gamma accompagnent fréquemment les désintégrations alpha et bêta ou la capture de neutrons par des noyaux. Simples réorganisations du noyau, ces désexcitations sont d’origines électromagnétiques. Elles sont quasiment immédiates, en dehors de cas exceptionnels comme celui du technétium, un autre exemple du ralentissement de certaines transformations nucléaires.

Ce technétium-99 est issu de la désintégration bêta d’un noyau de molybdène-99. La désintégration laisse le noyau dans un état excité. Le retour à l’état fondamental avec émission de gamma est d’ordinaire immédiat, mais dans le cas du technétium elle met six heures à se produire, la transition de l’état excité à l’état fondamental étant quasi interdite Cette curiosité de la physique fait du technétium 99 un pur émetteur de gamma, un outil idéal de radiodiagnostic en Médecine Nucléaire.