La radioactivité alpha

Une énigme nucléaire

Certains noyaux lourds, comme l'uranium, sont radioactifs : ils émettent spontanément une particule alpha (un noyau d'hélium, 2 protons + 2 neutrons). Dans les années 1920, cela posait un paradoxe redoutable.

À l'intérieur du noyau, la particule alpha est retenue par une barrière d'énergie colossale (la force nucléaire). Or les mesures montraient que la particule alpha émise n'a pas assez d'énergie pour franchir cette barrière. Classiquement, elle devrait rester piégée à jamais. Comment sort-elle ?

   Energie
      ^      barriere nucleaire (tres haute)
      |         ______
      |        /      \\
      |       /        \\
      |      /          \\    <- energie de la particule alpha
      |. . ./. . . . . . \\. . . . . . . . . . .  (elle est SOUS la barriere !)
      |    /|  particule  |\\
      |   / |    alpha    | \\_______
      |__/  |   piegee    |         '-------
           interieur    barriere    exterieur
           du noyau                  (liberte)

La solution : l'effet tunnel (Gamow, 1928)

George Gamow comprit que la particule alpha traverse la barrière par effet tunnel. Elle n'a pas l'énergie de passer par-dessus, mais elle a une probabilité — souvent minuscule — de traverser à travers. Le mystère de la radioactivité alpha était résolu par la mécanique quantique.

   la particule alpha "cogne" la barriere des milliards de
   milliards de fois par seconde de l'interieur...
   ... et a CHAQUE fois, une proba infime de sortir par effet tunnel
   -> tot ou tard, elle sort

Pourquoi les durées de vie sont si variables

Ce modèle explique une observation stupéfiante : les demi-vies des noyaux alpha s'étalent sur un éventail gigantesque, de la microseconde à des milliards d'années. Comment un même mécanisme peut-il donner des durées aussi différentes ?

La réponse tient à la dépendance exponentielle de l'effet tunnel. Une petite différence dans la hauteur ou la largeur de la barrière (donc dans l'énergie de la particule alpha) change la probabilité de passage de façon colossale :

   Noyau              Energie alpha    Demi-vie
   -----------------  ---------------  ---------------------
   polonium-212       elevee           0,3 microseconde
   uranium-238        faible           4,5 milliards d'annees

   (un petit ecart d'energie -> un ecart de demi-vie de 10^24 !)

Cette sensibilité extrême — la loi de Geiger-Nuttall — est la signature directe de l'effet tunnel. Aucune théorie classique ne pouvait relier ces durées de vie ; l'effet tunnel les explique quantitativement.

En résumé

Une particule alpha est piégée dans le noyau par une barrière d'énergie qu'elle n'a pas l'énergie de franchir classiquement. Elle s'en échappe par effet tunnel (Gamow, 1928). La dépendance exponentielle de la probabilité de passage explique l'immense éventail des demi-vies (de la microseconde au milliard d'années) : une petite variation de la barrière change radicalement la vitesse de désintégration. La radioactivité alpha est une preuve macroscopique de l'effet tunnel.