Réaction nucléaire - Nuclear reaction

Dans cette représentation symbolique d'une réaction nucléaire, le lithium-6 (6
3
Li
) et deutérium (2
1
H
) réagissent pour former le noyau intermédiaire hautement excité 8
4
Être
qui se désintègre alors immédiatement en deux particules alpha d' hélium-4 (4
2
Il
). Les protons sont symboliquement représentés par des sphères rouges et les neutrons par des sphères bleues.

En physique nucléaire et en chimie nucléaire , une réaction nucléaire est un processus dans lequel deux noyaux , ou un noyau et une particule subatomique externe , entrent en collision pour produire un ou plusieurs nouveaux nucléides . Ainsi, une réaction nucléaire doit provoquer une transformation d'au moins un nucléide en un autre. Si un noyau interagit avec un autre noyau ou une autre particule et qu'ils se séparent ensuite sans changer la nature d'aucun nucléide, le processus est simplement appelé un type de diffusion nucléaire , plutôt qu'une réaction nucléaire.

En principe, une réaction peut impliquer plus de deux particules entrant en collision , mais comme la probabilité de trois noyaux ou plus de se rencontrer en même temps au même endroit est bien moindre que pour deux noyaux, un tel événement est exceptionnellement rare (voir triple alpha processus pour un exemple très proche d'une réaction nucléaire à trois corps). Le terme « réaction nucléaire » peut désigner soit un changement d'un nucléide induit par collision avec une autre particule, soit un changement spontané d'un nucléide sans collision.

Les réactions nucléaires naturelles se produisent dans l'interaction entre les rayons cosmiques et la matière, et les réactions nucléaires peuvent être utilisées artificiellement pour obtenir de l'énergie nucléaire, à un taux ajustable, à la demande. Les réactions nucléaires en chaîne dans les matières fissiles produisent une fission nucléaire induite . Diverses réactions de fusion nucléaire d'éléments légers alimentent la production d'énergie du Soleil et des étoiles.

Histoire

En 1919, Ernest Rutherford réussit à accomplir la transmutation de l'azote en oxygène à l'Université de Manchester, en utilisant des particules alpha dirigées vers l'azote 14 N + α → 17 O + p. Ce fut la première observation d'une réaction nucléaire induite, c'est-à-dire une réaction dans laquelle les particules d'une désintégration sont utilisées pour transformer un autre noyau atomique. Finalement, en 1932 à l'Université de Cambridge, une réaction nucléaire entièrement artificielle et une transmutation nucléaire ont été réalisées par les collègues de Rutherford, John Cockcroft et Ernest Walton , qui ont utilisé des protons accélérés artificiellement contre le lithium-7, pour diviser le noyau en deux particules alpha. L'exploit était populairement connu sous le nom de "diviser l' atome ", bien qu'il ne s'agisse pas de la réaction de fission nucléaire moderne découverte plus tard (en 1938) dans les éléments lourds par les scientifiques allemands Otto Hahn , Lise Meitner et Fritz Strassmann .

Nomenclature

Les réactions nucléaires peuvent être représentées sous une forme similaire aux équations chimiques, pour lesquelles la masse invariante doit s'équilibrer pour chaque côté de l'équation, et dans lesquelles les transformations des particules doivent suivre certaines lois de conservation, telles que la conservation de la charge et le nombre de baryons ( masse atomique totale nombre ). Voici un exemple de cette notation :

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
Il
 
?.

Pour équilibrer l'équation ci-dessus pour la masse, la charge et le nombre de masse, le deuxième noyau à droite doit avoir le numéro atomique 2 et le numéro de masse 4 ; c'est donc aussi de l'hélium-4. L'équation complète s'écrit donc :

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
Il
 
4
2
Il
.

ou plus simplement :

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
Il
.

Au lieu d'utiliser les équations complètes dans le style ci-dessus, dans de nombreuses situations, une notation compacte est utilisée pour décrire les réactions nucléaires. Ce style de la forme A(b,c)D est équivalent à A + b produisant c + D. Les particules légères communes sont souvent abrégées dans ce raccourci, typiquement p pour proton, n pour neutron, d pour deutéron , α représentant un alpha particule ou hélium-4 , pour particule bêta ou électron, γ pour photon gamma , etc. La réaction ci-dessus s'écrirait 6 Li(d,α)α.

Conservation de l'énergie

De l'énergie cinétique peut être libérée au cours d'une réaction (réaction exothermique ) ou de l'énergie cinétique peut devoir être fournie pour que la réaction ait lieu ( réaction endothermique ). Celle-ci peut être calculée en se référant à un tableau des masses au repos des particules très précises, comme suit : d'après les tableaux de référence, le6
3
Li
le noyau a un poids atomique standard de 6,015 unités de masse atomique (en abrégé u ), le deutérium a 2,014 u et le noyau d'hélium-4 a 4,0026 u. Ainsi:

  • la somme de la masse au repos des noyaux individuels = 6,015 + 2,014 = 8,029 u;
  • la masse totale au repos sur les deux noyaux d'hélium = 2 × 4,0026 = 8,0052 u ;
  • masse au repos manquante = 8,029 - 8,0052 = 0,0238 unités de masse atomique.

Dans une réaction nucléaire, l' énergie totale (relativiste) est conservée . La masse au repos « manquante » doit donc réapparaître sous forme d'énergie cinétique libérée dans la réaction ; sa source est l' énergie nucléaire de liaison . En utilisant la formule d' équivalence masse-énergie d' Einstein E  =  mc 2 , la quantité d'énergie libérée peut être déterminée. Nous avons d'abord besoin de l'équivalent énergétique d'une unité de masse atomique :

1 u  c 2  = (1,66054 × 10 −27  kg) × (2,99792 × 10 8  m/s) 2 
= 1,49242 × 10 −10  kg (m/s) 2  = 1,49242 × 10 −10  J ( joule ) × (1  MeV  / 1,60218 × 10 −13  J)
= 931,49 MeV,
donc 1 u  c 2  = 931,49 MeV.

Par conséquent, l'énergie libérée est de 0,0238 × 931 MeV = 22,2 MeV .

Autrement dit : la masse est réduite de 0,3%, correspondant à 0,3% de 90 PJ/kg soit 270 TJ/kg.

C'est une grande quantité d'énergie pour une réaction nucléaire ; la quantité est si élevée parce que l'énergie de liaison par nucléon du noyau d'hélium-4 est inhabituellement élevée, parce que le noyau He-4 est « doublement magique ». (Le noyau He-4 est exceptionnellement stable et étroitement lié pour la même raison que l'atome d'hélium est inerte : chaque paire de protons et de neutrons dans He-4 occupe une orbitale nucléaire 1s remplie de la même manière que la paire d'électrons dans le atome d'hélium occupent une orbitale électronique 1s remplie ). Par conséquent, les particules alpha apparaissent fréquemment du côté droit des réactions nucléaires.

L'énergie libérée lors d'une réaction nucléaire peut apparaître principalement de l'une des trois manières suivantes :

  • énergie cinétique des particules de produit (une fraction de l'énergie cinétique des produits de réaction nucléaire chargés peut être directement convertie en énergie électrostatique);
  • émission de photons de très haute énergie , appelés rayons gamma ;
  • une certaine énergie peut rester dans le noyau, comme un niveau d'énergie métastable .

Lorsque le noyau produit est métastable, cela est indiqué en plaçant un astérisque ("*") à côté de son numéro atomique. Cette énergie est finalement libérée par la désintégration nucléaire .

Une petite quantité d'énergie peut également apparaître sous la forme de rayons X . Généralement, le noyau produit a un numéro atomique différent, et donc la configuration de ses couches électroniques est erronée. Au fur et à mesure que les électrons se réorganisent et tombent à des niveaux d'énergie inférieurs, des rayons X de transition interne (rayons X avec des raies d' émission précisément définies ) peuvent être émis.

Valeur Q et bilan énergétique

En écrivant l'équation de réaction, d'une manière analogue à une équation chimique , on peut en plus donner l'énergie de réaction du côté droit :

Noyau cible + projectile → Noyau final + éjectile + Q .

Pour le cas particulier discuté ci-dessus, l'énergie de réaction a déjà été calculée comme Q = 22,2 MeV. D'où:

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
Il
 
22,2  MeV .

L'énergie de réaction (la "valeur Q") est positive pour les réactions exothermiques et négative pour les réactions endothermiques, contrairement à l'expression similaire en chimie . D'une part, c'est la différence entre les sommes des énergies cinétiques du côté final et du côté initial. Mais d'un autre côté, c'est aussi la différence entre les masses nucléaires au repos du côté initial et du côté final (de cette façon, nous avons calculé la valeur Q ci- dessus).

Taux de réaction

Si l'équation de la réaction est équilibrée, cela ne signifie pas que la réaction se produit réellement. La vitesse à laquelle les réactions se produisent dépend de l'énergie et du flux des particules incidentes, ainsi que de la section efficace de réaction . La base de données REACLIB, telle qu'elle est gérée par le Joint Institute for Nuclear Astrophysics, est un exemple d'un grand référentiel de taux de réaction .

Particules chargées ou non chargées

Dans la collision initiale qui déclenche la réaction, les particules doivent s'approcher suffisamment pour que la force puissante à courte portée puisse les affecter. Comme la plupart des particules nucléaires courantes sont chargées positivement, cela signifie qu'elles doivent surmonter une répulsion électrostatique considérable avant que la réaction puisse commencer. Même si le noyau cible fait partie d'un atome neutre , l'autre particule doit pénétrer bien au-delà du nuage d'électrons et s'approcher de près du noyau, qui est chargé positivement. Ainsi, de telles particules doivent d'abord être accélérées à haute énergie, par exemple par :

Aussi, comme la force de répulsion est proportionnelle au produit des deux charges, les réactions entre noyaux lourds sont plus rares et nécessitent une énergie d'amorçage plus élevée que celles entre un noyau lourd et un noyau léger ; tandis que les réactions entre deux noyaux légers sont les plus courantes.

Les neutrons , en revanche, n'ont pas de charge électrique pour provoquer une répulsion, et sont capables d'initier une réaction nucléaire à très basse énergie. En effet, à des énergies de particules extrêmement basses (correspondant par exemple à l' équilibre thermique à température ambiante ), la longueur d'onde de de Broglie du neutron est fortement augmentée, augmentant peut-être fortement sa section efficace de capture, à des énergies proches des résonances des noyaux impliqués. Ainsi, les neutrons de basse énergie peuvent être encore plus réactifs que les neutrons de haute énergie.

Types notables

Alors que le nombre de réactions nucléaires possibles est immense, il existe plusieurs types qui sont plus courants, ou autrement notables. Voici quelques exemples :

  • Réactions de fusion — deux noyaux légers se rejoignent pour en former un plus lourd, avec des particules supplémentaires (généralement des protons ou des neutrons) émises par la suite.
  • Spallation - un noyau est touché par une particule avec suffisamment d'énergie et d'élan pour assommer plusieurs petits fragments ou le briser en plusieurs fragments.
  • L'émission gamma induite appartient à une classe dans laquelle seuls les photons sont impliqués dans la création et la destruction des états d'excitation nucléaire.
  • Désintégration alpha - Bien que entraînée par les mêmes forces sous-jacentes que la fission spontanée, la désintégration α est généralement considérée comme distincte de cette dernière. L'idée souvent citée selon laquelle les « réactions nucléaires » sont confinées aux processus induits est incorrecte. Les "désintégrations radioactives" sont un sous-groupe de "réactions nucléaires" qui sont spontanées plutôt qu'induites. Par exemple, les soi-disant « particules alpha chaudes » avec des énergies inhabituellement élevées peuvent en fait être produites dans la fission ternaire induite , qui est une réaction nucléaire induite (contrairement à la fission spontanée). De tels alphas se produisent également à partir de la fission ternaire spontanée.
  • Réactions de fission - un noyau très lourd, après avoir absorbé des particules légères supplémentaires (généralement des neutrons), se divise en deux ou parfois trois morceaux. Il s'agit d'une réaction nucléaire induite. La fission spontanée , qui se produit sans l'aide d'un neutron, n'est généralement pas considérée comme une réaction nucléaire. Tout au plus, ce n'est pas une réaction nucléaire induite .

Réactions directes

Un projectile à énergie intermédiaire transfère de l'énergie ou capte ou perd des nucléons au noyau en un seul événement rapide (10 -21 secondes). Le transfert d'énergie et de quantité de mouvement est relativement faible. Ceux-ci sont particulièrement utiles en physique nucléaire expérimentale, car les mécanismes de réaction sont souvent assez simples à calculer avec une précision suffisante pour sonder la structure du noyau cible.

Diffusion inélastique

Seules l'énergie et la quantité de mouvement sont transférées.

  • (p,p') teste les différences entre les états nucléaires.
  • (α,α') mesure les formes et les tailles des surfaces nucléaires. Étant donné que les particules qui frappent le noyau réagissent plus violemment, la diffusion élastique et inélastique peu profonde est sensible à la forme et à la taille des cibles, comme la lumière diffusée par un petit objet noir.
  • (e,e') est utile pour sonder la structure intérieure. Comme les électrons interagissent moins fortement que les protons et les neutrons, ils atteignent les centres des cibles et leurs fonctions d'onde sont moins déformées en traversant le noyau.

Réactions d'échange de charges

L'énergie et la charge sont transférées entre le projectile et la cible. Voici quelques exemples de ce type de réactions :

  • (p,n)
  • ( 3 He,t)

Réactions de transfert de nucléons

Habituellement à une énergie modérément basse, un ou plusieurs nucléons sont transférés entre le projectile et la cible. Ceux-ci sont utiles pour étudier la structure de l' enveloppe externe des noyaux. Des réactions de transfert peuvent se produire, du projectile vers la cible ; réactions de décapage, ou de la cible au projectile ; réactions de ramassage.

  • (α,n) et (α,p) réactions. Certaines des premières réactions nucléaires étudiées impliquaient une particule alpha produite par la désintégration alpha , faisant tomber un nucléon d'un noyau cible.
  • réactions (d,n) et (d,p). Un faisceau de deutérons heurte une cible ; les noyaux cibles absorbent soit le neutron soit le proton du deutéron. Le deutéron est si faiblement lié que c'est presque la même chose que la capture de protons ou de neutrons. Un noyau composé peut se former, entraînant une émission plus lente de neutrons supplémentaires. Les réactions (d,n) sont utilisées pour générer des neutrons énergétiques.
  • L' étrangeté réaction d'échange ( K , π ) a été utilisé pour étudier hypernoyaux .
  • La réaction 14 N(α,p) 17 O réalisée par Rutherford en 1917 (rapportée en 1919), est généralement considérée comme la première expérience de transmutation nucléaire .

Réactions avec les neutrons

T 7 Li 14 C
(n,α) 6 Li + n → T + α 10 B + n → 7 Li + 17 O + n → 14 C + 21 Ne + n → 18 O + 37 Ar + n → 34 S + α
(n,p) 3 He + n → T + p 7 Be + n → 7 Li + p 14 N + n → 14 C + p 22 Na + n → 22 Ne + p
(n,γ) 2 H + → T n + γ 13 C + n → 14 C + γ

Les réactions avec les neutrons sont importantes dans les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires . Alors que les réactions neutroniques les plus connues sont la diffusion de neutrons , la capture de neutrons et la fission nucléaire , pour certains noyaux légers (en particulier les noyaux impairs-impairs ), la réaction la plus probable avec un neutron thermique est une réaction de transfert :

Certaines réactions ne sont possibles qu'avec des neutrons rapides :

Réactions nucléaires composées

Soit un projectile de faible énergie est absorbé, soit une particule à plus haute énergie transfère de l'énergie au noyau, le laissant avec trop d'énergie pour être entièrement lié. Sur une échelle de temps d'environ 10 -19 secondes, des particules, généralement des neutrons, sont "évaporées". C'est-à-dire qu'ils restent ensemble jusqu'à ce que suffisamment d'énergie se concentre dans un neutron pour échapper à l'attraction mutuelle. Le noyau quasi-lié excité est appelé noyau composé .

Voir également

Les références

Sources