Automne 2009 G. Azuelos - Cours PHY3600 1

(1)

(2)

Accélérateur Van de Graaf

Basdevant courroie isolante, frotte contre

un «peigne» et perd des électrons

La charge positive est tranférée dans une enceinte, au milieu de l’accélérateur

ions négatifs accélérés par le champ électrique

ions négatifs perdent quelques électrons en traversant un «éplucheur»

et deviennent positifs les ions ont atteint leur

énergie maximum

1 2

3 4

5

(3)

(4)

Cyclotrons

TRIUMF, à Vancouver

(5)

accélérateurs linéaires (d’électrons)

SLAC

(6)

Types de Réactions Nucléaires

particule incidente noyau cible, au repos

( , ) :

X a b Y a X + → + b Y

26Mg ²⁶Mg

• Diffusion

• diffusion élastique: pas de perte d’énergie cinétique dans la collision

• mêmes particules en entrée et en sortie exemple:

• diffusion inélastique:

• particules à l’état final différentes: état excité exemple:

26 26

( , )

Mg p p Mg

26 26

| 26

( , ') *

Mg p p Mg

Mg γ

→ +

26Mg

26Mg*

26Mg

Q = 0

En général, la diffusion inélastique peuple de

préférence des états d’excitaion collective du noyau

(7)

• Réaction de transmutation

• noyau final différent du noyau initial (alchimie)

26 23

Exemple: Mg p( , )α Na

26

Énergie seuil: ^Mg ^H 1 892MeV.

Mg

M M

Q M

⎛ + ⎞

⎜ ⎟

− ⎜⎝ ⎟⎠ =

émission de proton ou neutron possible si l’excitation est supérieure à l’énergie de séparation

(8)

•

Capture Radiative

• nucléon capturé, et émission de rayons γ

34 35

6 371 MeV

7 548 1 177 MeV Énergie seuil: 35 1 212 MeV

34

*

( ) .

( ( . )) .

. Q S p Cl

Q S p Cl Q

+ → =

+ → = −

− × =

barrière Coulombienne ralentit l’émission de protons

(9)

•

Photodésintégration

• réaction inverse à la capture radiative

• γ incident → produit une désintégration du noyau rayonnement synchrotron:

émission de photons par une particule chargée accélérée exemple: bremsstrahlung

amplitude ~ accélération ~ 1/m Îintensité ~ 1/m²

26 26

Exemple: Al( , )γ p Mg

26_Al _H 26_Mg

8 27 MeV . Q M = − M − M = −

Photodésintégration du deuton:

processus important dans l’évolution stellaire, et abondance de ²H dans l’univers

(10)

Fission

fission spontanée est relativement rare

o

fission spontanée ne devient importante que pour des noyaux très lourds: A > 240

même l’Uranium préfère, de loin, se désintégrer par émission α

barrière Coulombienne importante

noyau déformés:

• répulsion électrique minimisée

• énergie de liaison nucléaire est peu changée puisque la portée est courte

• mais énergie de surface plus importante

plusieurs états finals possibles

fission asymétrique: fragments de masses différentes

• fragments en général trop riches en neutrons

(noyaux lourds stables ont N >> Z et noyaux légers stables ont N ~ Z)

→ désintégrations β

^-

RAPPEL:

(11)

Fission Induite

Exemple classique: ²³⁵U

235 140 93

92 54 38

3 n + U → Xe + Sr + n

neutron thermique (E~0)

235 142 92

92 56 36

2 n + U → Ba + Kr + n

Plusieurs autres canaux de fission exemple:

235 236 236

92 92

6 55 MeV (= énergie de séparation du neutron dans

92

énergie suffisante pour vaincre la barrière de fission de ~ 6 MeV

( ) . )

Q n + U → U = U

238 239 239

92 92

4 80 MeV (= énergie de séparation du neutron dans

92

énergie insuffisante pour vaincre la barrière de fission de ~ 6 MeV

( ) . )

Q n + U → U = U

autres neutrons, α, β, provenant des désintégrations des fragments, riches en neutrons - énergie produite: ~ 200 MeV

(12)

décroissance exponentielle

~600 b à énergie thermique

238U utilisé dans réacteurs surgénérateurs

2 30 2 2

1 fm =10⁻ m =10⁻ b

Température de 300K ⇒kT =1 40 eV

Pour maintenir la réaction en chaîne, il faut ralentir les neutrons avec un modérateur élément léger pour perte d’énergie à chaque collision

mais faible section efficace d’absorption:

• Réacteurs à Uranium enrichi (presque tous): 2.5% ²³⁵U

• H₂O ou graphite (C): 664 mb et 4.5 mb

• Réacteur Canadien (CANDU) à uranium naturel

• D₂O : 1 mb

238 239 239 239 4

23 m 2.36 j 2 4 10 a

( ) ( ) ( . )

n+ U → U ⎯⎯→^β⁻ Np ⎯⎯→^β⁻ Pu ×

élément fissile

(13)

(14)

Réactions à Noyau Composé

Réactionmenant àun état intermédiaire ayant un temps de vie relativementgrand

•temps de vie >> temps pour traverser le diamètre d’un noyau:

•le noyau a eu le temps de «thermaliser»

•il a «oublié» comment il a étéformé

•plusieurs modes de production possibles

•plusieurs modes de désintégrationspossible, y compris le mode de production, mais sans corrélationavec le mode de production

•probabilité de formation plus grande si l’énergie au c.m. correspond àl’énergie totale du noyau intermédiaireÎ résonances

•en général, parmètres d’impactpetits ( noyaux s’unissent)

2

8 15 23

1 3

Très approximativement:

exemple: proton de 100 MeV sur noyau de masse 100

1100 1

1 1 1 0 4

1000

m fm

0 4 3 10 10 1 2 10 fm/s m

Diamètre du noyau: 2 1.2 100^/ 11 1f

. .

. E

m v c

s

γ β

= = ⇒ = − =

= = × × × = ×

× × =

∼

22

m temps pour traverser: D 10 s

v

∼ −

10 16 3s τ ∼ ^{− ±}

(15)

Réactions à Noyau Composé

Particulièrement évident dans des réactions avec neutrons lents

• pas de barrière de Coulomb

• excitation des niveaux isomériques au- dessus de l’énergie de séparation des neutrons

• neutrons mono-énergétiques produits ici par exemple, par:

• largeur de 1 eV

• moment angulaire avec composante de préférence dans la direction ⊥ direction de la particule incidente

• distribution angulaire de

désintégration symétrique par rapport au plan formé par cet axe et la

direction du faisceau

7 7 3 4

( , ) ; ( , )

Li p n Be H d n He

10 15s

τ ⁻

⇒ = Γ ∼

(

^{= ×}^{r p}

)

(16)

(17)

Réactions à ions lourds

• réaction directe: pas nécessairement de noyau composé, paramètre d’impact plutôt grand

• production de noyaux exotiques: A très grand

2 stable

2 2 2

2 2

ligne de stabilité:

2 2 2

mais 2 4

( )

( ,

( , ) ( , ) : ) ( , ) ( , )

N

Z N Z

Z aN bN

aN bN N aN bN N aN bN N Z aN bN

N

−

− + − → −

− +

=

∼

(18)

Réactions à ions lourds

• Recherche d’îlot de stabilité (nombres magiques?) dans des éléments superlourds

• découverte de plusieurs noyaux superlourds à Darmstadt, Allemagne

• désintégration par émission α

• Barrière Coulombienne importante:

• excitation Coulombienne du noyau lors de collisions quasi-élastiques

• trop d’énergie par rapport au noyau final désiré:

• émissions de nucléons (protons), rayons γ

• Plusieurs canaux de production et de désintégration possibles

• grande variété de noyaux produits

• fragments riches en neutrons aussi produits (moins de barrière Coulombienne)

• faisceaux radioactifs souvent utilisés pour produire des noyaux riches en neutron

• ISAC à TRIUMF, Vancouver

• ISOLDE au CERN

• limitation physique: pour Z très grand, l’énergie de liason atomique est plus grande que 2 x la masse de l’électron Î instabilité du vide: création spontanée de paire e+e-

(19)

Réactions à ions lourds

• Des énergies très élevées peuvent être atteintes:

- énergie dépend de la charge de l’ion: MeV par nucléon mais cette énergie est répartie sur plusieurs nucléons

- dans des cas extrêmes: plasma de nucléons dans des états de densité et de «chaleur» inhabituels (RHIC, à Brookhaven National Laboratory)

• On peut produire des états de spin très èlevès

: grand et grand, pour charge = 1

max

= b

max

μ v b μ v ∼ E

(20)

Réactions à ions lourds

• Énergie initiale très élevée

→ émission rapide de nucléons, sans changement appréciable de spin

• Lorsque l’énergie atteint une ligne yrast, l’énergie est principalement due à la rotation: mêmesi elle est supérieure à l’énergie nécessaire pour émettre un nucléon, les nucléons indivisuels n’ont pas d’énergie suffisante, et surtout, il faut perdre le moment angulaire:

→émission de photons, et perte d’énergie et spin suvant la ligne yrast

Ligne yrast: parabole:

états rotationnels sur un coeur ayant une énergie d’excitation

2 0

1 2

( )

E E= + J J + I

E

0

(21)