Désintégration alpha

La désintégration alpha concerne surtout les noyaux lourds. Le noyau émet une particule alpha, c’est-à-dire un noyau d’hélium-4 formé de deux protons et deux neutrons. Le bilan nucléaire est simple ; l’origine de la demi-vie demande, elle, de comprendre l’effet tunnel.

Le bilan nucléaire fixe immédiatement le noyau fils

^A_ZX → ^A−4_Z−2Y + ⁴₂He

Une émission alpha enlève quatre nucléons et deux charges positives au noyau. Le nombre de masse diminue de 4 et le numéro atomique de 2.

Le nombre total de nucléons et la charge électrique sont conservés. Comme Z diminue de 2, l’élément chimique change.

L’énergie libérée se partage surtout entre deux corps

Si la masse totale au repos des produits est inférieure à celle du noyau initial, la différence apparaît comme énergie cinétique. On note souvent ce bilan par Q = (m_initial − m_final)c².

Dans une désintégration à deux corps d’un noyau initial presque au repos, la particule alpha et le noyau fils repartent en sens opposés. Le noyau fils, beaucoup plus massif, reçoit généralement la plus petite part de l’énergie cinétique.

Une énergie Q positive ne signifie pas une désintégration immédiate

La particule alpha ne franchit pas nécessairement la barrière de façon classique. L’effet tunnel quantique lui donne une probabilité finie de s’échapper du noyau.

À l’intérieur du noyau, l’interaction nucléaire peut retenir la particule alpha dans une région séparée de l’extérieur par une barrière électrostatique. Classiquement, une particule moins énergétique que cette barrière resterait confinée.

En mécanique quantique, sa fonction d’onde traverse partiellement la barrière : c’est l’effet tunnel. Une petite variation de l’énergie ou de la largeur de la barrière peut modifier fortement la probabilité d’évasion et donc la demi-vie.

Dans la matière, une particule alpha perd vite son énergie

Une particule alpha porte une charge +2e et ionise fortement la matière le long d’un trajet court. Dans l’air, sa portée est généralement de quelques centimètres pour les énergies usuelles de désintégration ; dans un matériau dense, elle est bien plus faible.

Cette faible pénétration ne signifie pas faible interaction : au contraire, la particule dépose son énergie sur une courte distance. Il faut donc distinguer pouvoir ionisant et pouvoir pénétrant.

Exercices résolus

1. Identifier le noyau fils

Le radium-226 (Z = 88) subit une désintégration alpha. Quels sont A et Z du noyau fils ?

Solution

A = 226 − 4 = 222 et Z = 88 − 2 = 86. Le noyau fils est donc un isotope du radon.

2. Conservation de la charge

Pourquoi le numéro atomique diminue-t-il de 2 ?

Solution

La particule alpha contient deux protons. Elle emporte donc deux unités de charge nucléaire positive.

3. Demi-vies très différentes

Deux noyaux alpha ont des valeurs de Q proches. Pourquoi leurs demi-vies peuvent-elles pourtant différer fortement ?

Solution

Parce que la probabilité d’effet tunnel dépend très fortement de la forme de la barrière coulombienne et de l’énergie disponible, pas seulement du signe de Q.