updated 9-DEC-1993 by SIC
Original by Bill Johnson
Traduction lgmdmdlsr dec 2000-fev 2001

Comment changer les vitesses de désintégration des noyaux radioactifs?

"J'ai une idée pour faire en sorte que les nucléides radioactifs se désintègrent plus vite/lentement qu'ils ne le font habituellement. On fait [ceci, cela et autre chose]. Est-ce que ça va fonctionner?"

Réponse courte: C'est possible, mais probablement inutilisable en pratique.

Réponse longue:

"L'un des paradigmes de la physique nucléaire depuis les balbutiments de cette science est que le temps de demi-vie ou constante de décroissance radiactive, d'une substance radiactive est indépendant de toute considération extra-nucléaire." (Emery, cité ci-dessous.) Comme tous les paradigmes, celeui-ci est sujet à interprétation. La décroissance normale de la radioactivité de la matière radioactive se produit par l'un des quatre mécanismes suivants:

Emission d'une particule alpha -- un noyau d'hélium 4 -- réduisant le nombre de protons et de neutrons dans le nucléide parent de deux chacun;
"la radioactivité beta," englobant un certain nombre de phénomènes dans lesquels soit un neutron du noyau se transforme en proton, soit le un proton se transforme en neutron -- phénomène accompagné d'autres choses comme l'émission d'un neutrino. Les "autres choses", comme on va le voir, sont à la base d'un certain nombre de questions qui ont trait à la perturbation des vitesses de désintégration;
Emission de un ou plusieurs photons gamma -- photons fortement énergétiques -- qui proviennent de la désexcitation d'un noyau d'un état excité vers un autre de plus basse énergie, typiquement le fondamental; certains de ces photons pourraient être remplacés par des "électrons de conversion" ["conversion electrons"] pour ceux qui ont les longueurs d'onde les plus courtes;
Une fission spontanée, dans laquelle un noyau suffisamment lourd se casse en deux. La majuere partie de la discussion sur les particules alpha pourra aussi s'appliquer à la fission spontanée.

L'émission gamma apparaît souvent comme un processus enfant de l'un des autres modes de désintégration. On négligera tout phénomène exotique comme l'émission de C-14 ou la double-désintégration beta dans cette analyse.

La "désintégration beta" est le plus souvent relative à un noyau possédant un excès de neutrons, qui disparaît en convertissant un neutron en proton:

         n ----> p + e- + anti-nu(e),

où n désigne un neutron, p un proton, e- un électron, et anti-nu(e) un antineutrino de type électron.
Le type de désintégration beta qui implique la destruction d'un proton n'est pas familier pour beaucoup de gens, donc il mérite quelques détails supplémentaires. L'un des deux événements suivants peuvent survenir quand cette sorte de désintégration a lieu:

        p ----> n + e+ + nu(e),

où e+ désigne un positron et nu(e) un neutrino électron; ou bien:

        p + e- ----> n + nu(e),

où e- désigne un électron chargé négativement, qui est capturé dans le nuage électronique de l'atome dont le noyau de désintègre.
Ces processus sont appelés respectivement "émission de positrons" et "capture électronique". Un noyau donné qui possède trop de protons pour être stable peut subir une désintégration beta par l'une ou l'autre des deux réactions, typiquement les deux pouvant simultanément avoir lieu dans un échantillon donné.

Les "électrons de conversion" sont produits par le processus de "conversion interne", dans lequel le photon qui devrait être normalement émis par une désintégration gamma est virtuel et son énergie est absorbée par un électron de l'atome. L'énergie absorbée est suffisante pour libérer l'électron de l'influence du noyau (excepté dans quelques cas exceptionnels), et est par conséquent ejecté de l'atome.

Maintenant le lien avec les vitesses de désintégration. La capture électronique comme le phénomène de conversion interne nécessite un électron suffisamment proche du noyau en passe de se désintégrer. Dans tout atome normal, cette condition est satisfaite en profondeur: les électrons les plus internes sont dans des états tels que la probabilité d'être proche du noyau est à la fois grande et insensible à l'environnement extérieur de l'atome. La vitesse de désintégration dépend des fonctions d'onde électroniques, i.e., quelle part de leur temps les électrons internes passent près du noyau -- mais seulement très faiblement. Pour la plupart des noyaux qui se désintègrent par capture électronique ou par conversion interne, la plupart du temps, la probabilité de capturer ou de convertir un électron est aussi insensible à l'environnement,car les électrons les plus internes sont ceux qui sont le plus suceptibles d'être capturés/convertis.

Toutefois il y a des exceptions, la plus remarquable étant l'isotope 7 du béryllium, très important en astrophysique. Le Be-7 se désintègre uniquement par capture électronique (l'émission de positrons étant impossible à cause d'une énergie de désintégration inadéquate) avec un temps de demi-vie d'un peu plus de 50 jours. On a montré que des différences dans l'environnement chimique conduisent à des variations de l'ordre de 0,2% dans la valeur du temps de demi-vie, et des hautes pressions produisent des changements similaires. Le Zr-89 et le Sr-85 sont d'autres exemples où on connaît des changements dans la vitesse de désintégration, ce sont aussi des noyaux capturant les électons; le Tc-99m ("m" impliquant un état excité), qui se désintègre à la fois par désintégration beta et émission gamma; et d'autres exemples variés qui se désintègrent par émission gamme avec une conversion interne. Dans tous ces autres cas l'amplitude de l'effet est inférieure à celle du Be-7.

Qu'est-ce qui fait que ces cas sont spéciaux? La réponse est qu'une ou plusieurs des hypothèses de départ -- insensibilité des fonctions d'onde des électrons proches du noyau aux foreces extérieures, ou capacité des électrons les plus internes à subir la capture/conversion -- ne sont pas complètement vraies. Pour commencer, le beryllium atomique ne possède que 4 électrons, donc les "électrons les plus internes" sont aussi en pratique les plus externes et donc sont beaucoup plus sensibles aux effets chimiques que ce qu'on observe généralement. Dans la plupart des autres cas spéciaux, l'énergie libérée par par la réaction nucléaire est si faible (aussi petite que quelques électron-volts, à comparer avec celles de la plupart des réactions responsables de la radioactivité, à savoir quelques centaines ou milliers de kiloélectron-volts), à cause d'anomalies dans la structure du noyau, que les électrons les plus internes ne peuvent subir la conversion interne. SOuvenez-vous que convertir un électron nécessite de lui communiquer sufisamment d'énergie pour l'expulser de l'atome (plus ou moins); "suffisamment d'énergie", dans ce contexte, est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de kiloélectron-volts, donc ils ne sont pas du tout convertis dans ce cas là. Par conséquent la conversion ne fonctionne que pour certains des électrons plus externes, qui sont à nouveau plus sensibles à l'environnement.

L'émetteur beta Re-187 constitue une anomalie rare. Son énergie de désintégration n'est que de environ 2,6 keV, c'est-à-dire pratiquement rien comparé aux standards des énergies de désintégration nucléaire. "Le fait que cette désintégration se produise est un exemple des effets que peut produire l'environnement sur les désintégrations nucléaires: le noyau nu de Re-187 [i.e. débarrassé de toutes ses orbitales électroniques -- MWJ] est stable par rapport à la désintégration beta [mais pas par rapport à la désintégration beta d'un état lié, dans laquelle l'électron expulsé est capturé par le noyau fils et envoyé sur une orbitale où il est très lié à l'atome -- SIC] et il y a une différence de 15 keV entre l'énergie totale de liaison de l'osmium [qui se désintègre -- MWJ] et celle du rhénium... ce qui rend la désintégration possible." (Emery). L'importance pratique de cette petite particularité est, bien sûr, faible, car le Re-187 a déja un temps de demi-vie supérieur à 10^10 ans.

La désintégration alpha et la fission spontanée pourraient aussi être affectées par un changement dans la densité électronique près du noyau, pour une raison différente. Ces proccesus sont le résultat de la pénétration de la "barrière de Coulomb" qui empêche l'émission de particules chargées du noyau, et leur taux de décroissanc est très sensible à la valeur de la barrière. Des changmeent s dans le densité électronique pourraient, en principe, modifier légèrement la barrière. Toutefois, l'amplitude de cet effet est très petite, d'après les calculs théoriques; pour quelques émetteurs alpha, le changement a été estimé à un ordre de grandeur de 1 / 10^7 (!) ou moins encore, ce qui ne serait pas mesurable de par le fait que les temps de demi-vie des émetteurs alpha ne sont, avant tout, pas connus avec ce degré de précision.

En résumé, il existe des changements dans les taux de décroissance radioactive dûs à l'environnement des noyaux radioactifs, ceci est établi solidement à la fois par les expériences et par la théorie. Mais la valeur relative de ces changments est telle qu'il n'y a rien à s'en émerveiller.

Référence: Le meilleur article de revue suer ce sujet date maintenant de 20 ans: G.T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear Science vol. 22, p. 165 (1972). Les articles décrivant des expériences spécifiques sont citées dans cet article, qui contient un gros morceau des arcanes des mathématiques, mais qui distille aussi une approche correcte "avec les mains" de ce qui se passe.