Radioactivité beta moins et interaction faible

[floflo10]

Je n'arrive pas à comprendre la radioactivité beta moins et l'interaction faible : grâce à l'interaction faible, un neutron est transformé en proton avec émission d'un électron : ex : le tritium transformé en hélium 3.
Comment expliquer que cette transformation nucléaire stabilise le noyau??
En effet, l'interaction électromagnétique répulsive entre les protons va augmenter, l'interaction forte reste identique...

Qu'est-ce réellement l'interaction faible? Ni une force attractive, ni une force répulsive...

Merci pour votre réponse...
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[Deedee81]

Bonjour,

Bienvenue sur Futura.

N'oublie pas de dire bonjour.

Effectivement, le responsable ici n'est pas l'interaction nucléaire. un noyau npp ou nnp, ça revient au-même.
Et la réaction est permise car le noyau nnp est légèrement plus massif que le noyau npp. Et la différence ici est seulement le fait que le neutron est plus lourd que le proton, ce qui compense plus que largement la répulsion électrostatique (*).

Et le npp (hélium 3) est plus stable simplement parce qu'il ne peut pas se désintégrer par beta en quelque chose de plus léger.

(*) notons qu'en général, on a des changements important dans la structure nucléaire. Ici, ce n'est pas le cas. Et la différence d'énergie est faible, l'électron n'ayant que 5 keV (en général, les rayons beta c'est des centaines de keV), ce qui explique qu'on peut l'utiliser comme traceur dans des applications médicales sans effet nuisible.

Je ne suis pas physicien nucléaire. Des confirmations/précisions sont les bienvenues.

EDIT oublié de dire que l'interaction faible est une des quatre interactions fondamentales (avec la gravitation, l'électromagnétisme et l'interaction forte).
Assez complexe (symétrie SU(2), tout comme l'interaction nucléaire qui est SU(3). Au moins l'électromagnétisme c'est U(1), c'est "simple").
De très courte portée (bien plus que l'interaction nucléaire) et de très faible intensité : ce qui explique qu'on ne peut pas vraiment parler en termes de répulsion/attraction.
Due à l'échange de bosons massifs : W,Z.

[floflo10]

Bonjour,
Un GRAND merci pour ta réponse DeeDee81, et désolée, d'habitude je suis plutôt polie ...
Je n'ai malheureusement pas tout compris : en quoi le fait que le neutron soit plus lourd que le proton "compense plus que largement la répulsion électrostatique" ? -> Il y a diminution de masse lors d'une réaction nucléaire (et conversion en énergie), donc ici stabilisation du noyau?
Comment comprendre alors la radioactivité beta plus? Un proton transformé en neutron --> il y a alors augmentation de masse? --> Stabilisation en terme d'interaction électromagnétique répulsive plus faible?
J'essaie de comprendre, n'ayant jamais eu de cours de physique nucléaire et je voudrais pouvoir l'expliquer à des élèves de 1S.
Merci d'avance...

[Deedee81]

Salut,

D'une manière générale, un système est stable s'il est dans son état d'énergie minimale. Et bien entendu un système est plus stable s'il est dans état d'énergie E1 que dans l'énergie E2 si E1<E2.
La raison en est simplement qu'il peut perdre le surplus d'énergie (E2-E1), par exemple en émettant un photon ou tout autre transformation, mais retrouver la différence, c'est tout autre chose (sauf si dans l'environnement il y a ce qu'il faut, comme des photons d'énergie suffisante par exemple, mais on entre là dans des considérations de physique statistique, essayons de rester simple).

Et pour le noyau, les énergies sont telles qu'il faut faire intervenir E=mc². Une baisse de masse est équivalente à une basse d'énergie.
Ainsi lorsque l'on passe de nnp à npp, on a deux facteurs qui font varier l'énergie total : l'énergie diminue car on passe d'un neutron à un proton, moins massif (la différence d'énergie étant ce delta de masse fois c²) et l'énergie augmente car il y a répulsion électrostatique entre les deux protons. Bilan ? Difficile de le voir sans un calcul détaillé, mais le résultat net est bien une baisse de l'énergie totale, assez faible (égale à la masse de l'électron * c² + son énergie cinétique).

L'énergie d'un noyau est extrêmement complexe (ici c'est encore relativement simple) et les neutrons et protons, en particulier, remplissent des couches en respectant le principe d'exclusion de Pauli : deux particules ne peuvent être exactement dans le même état : ainsi dans une couche correspondant à un état quantique donné, on ne peut avoir que deux neutrons, car il y a deux états de spin, et deux protons. C'est d'ailleurs ça qui donne ce qu'on appelle les nombres magiques (dont le calcul est loin d'être trivial, il faut résoudre l'équation de Schrödinger avec divers outils d'approximations vu la complexité pour trouver les nombres quantiques et leurs valeurs associées aux diverses valeurs de l'énergie). Ici, avec mon exemple, deux neutrons+deux protons c'est le premier nombre magique : 2, ce noyau doublement magique = He4 = particule alpha, est particulièrement stable. Tout ajout d'un proton, neutron ne peut se faire que sur une couche d'énergie nettement plus élevée.

Et il se fait selon le remplissage des couches que parfois, s'il y a un peu trop de protons, il y a un gros avantage énergétique à voir un proton se transformer neutron en émettant en positron (radioactivité beta +). La aussi on a une baisse de la masse/énergie totale de l'atome (même si le nucléon augmente un peu de masse). C'est le cas du fluor 18 qui se transforme en oxygène 18, nettement moins énergétique à cause de la structure du noyau.

Attention, la physique nucléaire c'est sans doute un domaine parmi les plus compliqué, l'électromagnétisme et la structure des niveaux électroniques de l'atome c'est déjà pas simple et pourtant s'est cadeau à coté du nucléaire. Les modèles les plus précis des noyaux sont extrêmement complexes font appel à un tombereau de développements théoriques costauds et ont pourtant un tas de paramètres libres dont les valeurs ne sont pas calculées mais issues des mesures en physique nucléaire (les spectres alpha et gamma sont très utile à ce sujet car ils donnent des spectres de raies précis, tandis que le spectre bêta est continu à cause de l'émission concomitante d'un neutrino).

Un petit coup d'oeil ici montre la complexité :
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_shell_model
https://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_magique_(physique)
https://fr.wikipedia.org/wiki/Structure_nucl%C3%A9aire

Bon courage.

[A voir en vidéo sur Futura]

[floflo10]

Bonjour et merci beaucoup pour toutes ces infos!! :