Des noyaux instables émetteurs de rayonnements

La grande majorité des noyaux naturels sont stables. C’est la raison pour laquelle on les observe dans la Nature. Les noyaux instables qui sont radioactifs disparaissant avec le temps. Ils sont appelés radioéléments.

Les seuls noyaux instables subsistants dans l’environnement naturel possèdent une durée de vie très longue, de l’ordre de milliards d’années comme l’uranium et le thorium, ou bien ils sont constamment régénérés. Parmi ces derniers, on trouve les noyaux radioactifs issus de la descendance des noyaux d’uranium ou de thorium, et ceux renouvelés (comme le carbone-14) sous l’effet du rayonnement cosmique.

Depuis la découverte de la radioactivité artificielle en 1934, de très nombreux noyaux radioactifs qui avaient disparu ont pu être recréés. En raison de ses innombrables applications, en particulier médicales, la découverte de la radioactivité artificielle eut un grand impact. Son importance fut très vite reconnue. Le prix Nobel de Chimie fut attribué dès 1935 à Irène et Frédéric Joliot-Curie.

Les sources de l’instabilité des noyaux radioactifs

La stabilité ou l’instabilité d’un noyau résulte de la compétition entre les forces attractives et répulsives présentes en son sein. Un noyau est un assemblage particulièrement complexe de nombreux constituants dont le nombre atteint 238 pour l’élément naturel le plus lourd, l’uranium. Avec autant de participants, la description des phénomènes à l’intérieur du noyau, et notamment des forces, n’est pas simple.

Les physiciens disposent néanmoins de modèles empiriques satisfaisants. Le noyau peut être assimilé, à certains points de vue, à une goutte liquide incompressible. Cette vision simplifiée date de l’origine de la physique nucléaire. Les recherches récentes montrent que certains noyaux s’éloignent beaucoup de ce modèle. Les noyaux peuvent avoir la forme d’un ballon de rugby, d’une poire, ou comme le lithium-11 ressembler à une molécule d’eau.

A première vue, les noyaux ne devraient pas exister car ils contiennent en leur sein des particules électriquement chargées, les protons qui devraient se repousser violemment en raison de leur charge électrique de même signe et de leur proximité. Si des noyaux existent, c’est en raison d’une force attractive nucléaire très intense capable de l’emporter sur la répulsion électrique. Pour être attractive, cette force (appelée interaction forte par les physiciens) requiert que les nombres de protons et de neutrons soient voisins.

Une troisième force (dite interaction faible) ajuste les proportions de ces deux espèces de nucléons pour rendre maximale l’énergie de liaison des nucléons. Soumis aux interactions fortes, électromagnétiques (répulsion électrique) et faibles, les noyaux produits à l’origine de l’univers et dans les étoiles, ont évolué vers la stabilité. Sur une carte représentant tous les noyaux possibles, les éléments naturels se répartissent le long d’une ligne, dite ligne de stabilité, allant de l’hydrogène à l’uranium.

De nos jours les recherches sur le noyau continuent d’être très actives. La France dispose d’un grand centre de recherches pour l’étude des noyaux grâce à un puissant accélérateur, le GANIL ou “Grand Accélérateur National d’Ions Lourds”. Le GANIL est l’un des quatre grands laboratoires au monde pour la recherche avec des faisceaux d’ions.

Les domaines d’expérimentation vont de la radiothérapie à la physique de l’atome et de son noyau, de la matière condensée à l’astrophysique. En physique nucléaire, le GANIL a permis de nombreuses découvertes sur la structure du noyau, sur ses propriétés et sur les noyaux que l’on dit exotiques, car n’existant pas à l’état naturel sur Terre.

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