Désintégration alpha

Désintégration alpha est le processus radioactif dans lequel un noyau lourd émet une particule alpha – un amas étroitement lié de deux protons et de deux neutrons, identique à un noyau d’hélium-4. Le noyau parent perd deux unités de charge et quatre unités de masse, se transformant en un élément différent. La désintégration de l'uranium 238 en thorium 234 en est un exemple classique.

Tunnelage à travers la barrière coulombienne

À l’intérieur du noyau, la forte force nucléaire lie la particule alpha, mais à l’extérieur, l’alpha chargé positivement est repoussé par les protons restants. Ensemble, ils créent un potentiel barrière: un mur d'énergie supérieur à la propre énergie de la particule alpha. Classiquement, la particule ne pouvait jamais s'échapper. La mécanique quantique lui permet de tunnel à travers la barrière avec une probabilité faible mais non nulle. Le modèle de tunneling de George Gamow de 1928 fut l'un des premiers triomphes de la théorie quantique, expliquant pourquoi les demi-vies varient de quelques microsecondes à des milliards d'années.

Le modèle prend également en compte le Loi Geiger-Nuttall, la relation étroite entre la demi-vie d'un isotope et l'énergie de l'alpha émis. Une légère augmentation de l’énergie alpha amincit la barrière et raccourcit considérablement la demi-vie – de plusieurs ordres de grandeur.

Au-delà du simple tunneling

Le tunneling simple traite la particule alpha comme si elle existait déjà, entièrement formée, à l’intérieur du noyau. Les vrais noyaux sont plus subtils. Les descriptions modernes ajoutent un facteur de préformation — la probabilité que quatre nucléons se regroupent réellement en alpha avant qu'un tunnel ne puisse se produire. Ils tiennent également compte de la déformation nucléaire, de la structure de la coque et du moment cinétique, qui éloignent tous les taux de désintégration de la simple estimation de Gamow. Ces améliorations expliquent pourquoi certains noyaux se désintègrent plus rapidement ou plus lentement que ce que le seul effet tunnel pourrait prédire, et ils relient la désintégration alpha à la physique plus large du regroupement nucléaire.

Une idée fausse courante

La particule alpha ne gagne pas d’énergie pour « franchir » la barrière. Son énergie totale reste en dessous du sommet de la barrière tout au long ; le tunneling est un véritable passage quantique via une région classiquement interdite, pas un saut thermal par-dessus. C'est pourquoi les taux de désintégration alpha sont essentiellement indépendants de la température et de la pression.