Certains atomes sont stables, tandis que d’autres semblent s’effondrer. Lead-208 durera probablement pour toujours, tandis que le technium-99 de l’isotope synthétique existe pendant seulement des heures. La différence réside dans la structure du noyau de l’atome, avec certains « nombres magiques » du nucléaire particules faire des isotopes particulièrement résistants à la désintégration radioactive.
Alors, quels sont ces numéros magiques, et pourquoi sont-ils si spéciaux?
Cette stabilité semble partiellement liée à la masse de l’atome, avec des éléments plus lourds se révélant moins stable. Mais dans les années 40 et 50, les scientifiques ont observé que beaucoup de Des éléments plus légers avaient également des isotopes radioactifs; Le carbone-14 et le potassium-40 subissent lentement une décroissance radioactive et sont responsables d’une grande partie du rayonnement de fond de la planète.
Curieusement, ces scientifiques ont remarqué que des nombres très particuliers de protons et de neutrons semblaient entraîner des noyaux inhabituellement stables, et ces valeurs sont devenues connues sous le nom de nombres magiques.
« Les chiffres magiques sont 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126 », a déclaré David Jenkinsun physicien nucléaire à l’Université de York au Royaume-Uni « Si vous prenez le plus léger – deux protons et deux neutrons – c’est le noyau de l’atome d’hélium, et nous savons que c’est une combinaison très stable de protons et de neutrons. »
Jeu de coquille
Les noyaux d’hélium, également connus sous le nom de particules alpha, sont émises spontanément de plus lourds, instables atomes comme ils subissent une désintégration nucléaire.
D’autres noyaux magiques comprennent l’oxygène-16 (huit protons et huit neutrons), le calcium-40 (20 protons et 20 neutrons) et le plomb-208 (82 protons et 126 neutrons), l’élément stable le plus lourd connu.
Pour comprendre ces observations bizarres, les physiciens ont proposé le «modèle de coquille nucléaire», qui établit des parallèles avec les coquilles électroniques utilisées pour expliquer le comportement chimique des atomes.
« L’idée était que les protons et les neutrons sont assis dans des coquilles, un peu comme les électrons dans un atome, et les excitations nucléaires impliqueraient des protons et des neutrons sautant de haut en bas entre ces obus », a expliqué Jenkins.
Comme leurs analogues d’électrons, ces coquilles nucléaires ont des valeurs d’énergie fixe appelées états quantifiées, et le système est le plus stable lorsque ces coquilles sont complètement remplies. Le raisonnement exact derrière cela est une combinaison complexe de quantique mécanique facteurs, mais on pense que le force forte – L’interaction fondamentale qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans le noyau – est plus élevé que prévu par particule dans les coquilles terminées.
Les nombres magiques sont donc simplement le nombre de particules nécessaires pour remplir chacune de ces coquilles nucléaires, avec des niveaux distincts pour les protons et les neutrons. Les isotopes individuels peuvent être en conséquence magiques individuellement, avec un nombre magique de protons ou de neutrons (par exemple, l’isotope primordial Iron-56), ou doublement magique, avec un nombre magique de protons et de neutrons (comme l’oxygène 16 et le plomb-208).
Ces systèmes doublement magiques sont rares, mais ils possèdent des propriétés quantiques intrigantes, a déclaré Jenkins.
« Les systèmes doublement magiques ont une distribution sphérique de matière et de charge » – un noyau complètement rond, a-t-il déclaré. « La plupart des noyaux sont déformés et tournent. Ils ont une structure très différente. «
Personne ne sait jusqu’où ce modèle s’étirera. TIN-100 – le noyau doublement magique le plus lourd, avec 50 protons et 50 neutrons – a un demi-vie de seulement 1,2 secondetandis que l’insudihexium, le prochain élément magique après le plomb, n’a jamais été synthétisé. Par conséquent, si cette augmentation de la stabilité magique sera suffisante pour permettre aux scientifiques d’ajouter une huitième rangée au tableau périodique reste une question ouverte.
