Origine de la désintégration béta

[Sinistro]

Bonjour à tous,

J'ai une petite question concernant les désintégrations béta (plus et moins).
Je crois avoir bien compris la réaction en temps que tel, ce que je n'arrive pas à saisir c'est le facteur déclencheur. J'ai lu à maintes reprises que "l'excès de neutrons dans un noyau provoque une désintégration B-". Si c'est bien l'excès de neutrons qui amorce la réaction, il doit y avoir une interaction entre nucléons qui enclenche la désintégration B- d'un des neutrons. Comment cela se passe-t-il ?
Cette vidéo (https://www.youtube.com/watch?v=cnL_nwmCLpY&app=desktop) explique à 2:30 que c'est le rapprochement entre un neutron et un neutrino qui initie la désintégration et se transforme en électron. Or, moi je n'ai jamais entendu parler que de réaction de ce type : neutron -> proton + électron + antineutrino, et jamais neutron + neutrino -> proton + électron.

Merci beaucoup pour votre réponse : )

Sinistro





Un grand merci d'avance.
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[Resartus]

Bonjour,
La capture d'un neutrino par un neutron est bien sûr possible, et donne un proton plus un électron. C'est ce qui est utilisé dans les détecteurs de neutrino. Mais elle est très rare : il faut des tonnes de produit pour détecter quelques dizaines de neutrinos parmi les centaines de milliards qui traversent la cuve chaque seconde…
Donc, ce n'est pas du tout le processus en jeu dans la radioactivité beta qui est directement une instabilité du neutron qui va donner trois particules
Comme toute radioactivité, c'est un phénomène aléatoire.

Et cela se passe un peu comme dans l'effet tunnel : il y a un "col" d'énergie pour passer de l'état neutron à l'état proton+electron+antineutrino, et la probabilité de désintégration est d'autant plus forte que ce col est bas. C'est pour cela que le neutron isolé se désintègre rapidement, alors que dans un noyau, il sera soit stable, soit moins instable, parce que le neutron est toujours un peu lié dans le noyau
Et cette énergie de liaison dépend de la nature du noyau. Il y a divers modèles plus ou moins compliqués pour "expliquer" pourquoi l'excès de neutrons dans un noyau diminue la stabilité

[XK150]

Bonjour ,

Ici , au post 2 : https://forums.futura-sciences.com/r...tion-beta.html

Ou encore ici avec le diagramme de Feynmann , plus complet que l'article en français : https://en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay

[Amanuensis]

Je crois avoir bien compris la réaction en temps que tel, ce que je n'arrive pas à saisir c'est le facteur déclencheur. J'ai lu à maintes reprises que "l'excès de neutrons dans un noyau provoque une désintégration B-". Si c'est bien l'excès de neutrons qui amorce la réaction, il doit y avoir une interaction entre nucléons qui enclenche la désintégration B- d'un des neutrons. Comment cela se passe-t-il ?

Il s'agit d'un cas de désintégration "spontanée". Cela peut se passer que si la somme des masses de produits est inférieure à la masse du noyau initial. Le surplus se retrouve sous forme d'énergie cinétique, précisément dans les énergies cinétiques des produits, qui s'éloignent les uns des autres (donc vitesse relative non nulle), condition nécessaire pour que le noyau ne se reforme pas immédiatement.

Un tel noyau est instable, et ce qu'il faut expliquer n'est pas tant pourquoi il se désintègre, mais pourquoi il ne le fait pas toute de suite. Autrement dit, pourquoi est-il apparemment stable avant la désintégration.

C'est là que l'idée de "col d'énergie" (dans un message précédent) intervient. C'est comme des billes sur une table: si elles se déplacent en tout sens, elles vont tomber, car la situation "énergétique" finale est plus faible une fois qu'elles sont par terre ; mais si on les mets dans une assiette, les billes resteront dedans un certain temps même si elles bougent "un peu". L'assiette crée un "col d'énergie", faut qu'une bille monte un peu pour passer le rebord.

C'est un peu ça dans un noyau instable: le col d'énergie fait que la probabilité de passer "par-dessus le rebord" pendant une certaine durée n'est pas 100%.

Alors, qu'est-ce qui déclenche la désintégration ? Eh bien une coïncidence d'événements internes qui amènera, tôt ou tard, une combinaison de positions et de vitesses qui fait passer le col, en imaginant une sorte de "mouvement brownien" interne (ce n'est qu'une image, la modélisation est du ressort de la physique quantique alors que l'image proposée est de physique classique).

L'observation confirme une statistiques de durées de vie conforme à un modèle "aléatoire", avec une désintégration sans autre cause que des coïncidences se produisant rarement et "au hasard".

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sinistro]

C'est là que l'idée de "col d'énergie" (dans un message précédent) intervient. C'est comme des billes sur une table: si elles se déplacent en tout sens, elles vont tomber, car la situation "énergétique" finale est plus faible une fois qu'elles sont par terre ; mais si on les mets dans une assiette, les billes resteront dedans un certain temps même si elles bougent "un peu". L'assiette crée un "col d'énergie", faut qu'une bille monte un peu pour passer le rebord.

Ok, et j'imagine que plus le col d'énergie est important, plus la demi-vie de l'isotope radioactif est grande.

La capture d'un neutrino par un neutron est bien sûr possible, et donne un proton plus un électron.

Donc si j'ai bien compris, les deux réactions ci-dessous sont possibles :
neutron -> proton + électron + antineutrino
neutron + neutrino -> proton + électron.

Et cette énergie de liaison dépend de la nature du noyau. Il y a divers modèles plus ou moins compliqués pour "expliquer" pourquoi l'excès de neutrons dans un noyau diminue la stabilité

Si vous avez un modèle pas trop compliqué sous la main je suis preneur : )

Merci à tous !

[Deedee81]

Salut,

Si vous avez un modèle pas trop compliqué sous la main je suis preneur : )

Dans ce domaine c'est un peu coton.

Le modèle (presque) le plus simple est le modèle en couche :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Struct...8le_en_couches
(il y a celui de la goute mais il est trop grossier)

Il est plutôt simple a comprendre et montre aisément pourquoi avec un excès de neutrons, certains de ceux-ci ont une énergie de liaison plutôt faible.
Une cuillère de désintégration bêta avec son bilan énergétique et une pincée d'effet tunnel. Et on peut déjà expliquer pas mal de chose.
Y compris le rayonnement gamma (réorganisation des nucléons sur les couches, généralement après une émission radioactive)
Et le rayonnement alpha (un peu plus complexe, forcément, un alpha étant un noyau d'hélium 4, il faut tenir compte des énergies de liaison par nucléon et du fait que le alpha est le noyau le plus stable).

Tu as des modèles plus précis, plus complexes, tenant compte des effets de spins, de la structure du noyau.... Le carbone 12 est assez joli d'ailleurs, on a clairement 3 groupes de nucléons formant une structure en forme de trèfle. Mais bon, là on entre dans les hautes sphères tant théoriques que numériques.

[Amanuensis]

Donc si j'ai bien compris, les deux réactions ci-dessous sont possibles :
neutron -> proton + électron + antineutrino
neutron + neutrino -> proton + électron.

Et on peut en rajouter plein d'autres, en enlevant une particule d'un côté et mettant son antiparticule de l'autre.

La physique quantique dit que tout est possible.

Les diagrammes de Feynman amène à décomposer en transitions ternaires (noeuds à trois arêtes), ce qui peut faire intervenir d'autres particules intermédiaires (comme les bosons intermédiaires). Un avantage est qu'un diagramme couvre plusieurs cas avec des réactifs et des produits différents. Et les modèles concernent les transitions ternaires...

La modélisation vise à des calculs de probabilité, et est nécessairement assez complexe !

[Deedee81]

Il y a même des transitions non radiatives (enfin presque (*)) comme la capture électronique.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Capture_%C3%A9lectronique

(*) Cela peut donner une puissante émission X car ce sont les électrons internes qui sont capturés. Ou même des électrons éjectés :
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron_Auger

Quand on a de telles énergies en jeu, y a vraiment beaucoup de possibilités

[Sinistro]

Il est plutôt simple a comprendre et montre aisément pourquoi avec un excès de neutrons, certains de ceux-ci ont une énergie de liaison plutôt faible.

Effectivement, ça a l'air assez intuitif.
Si j'ai bien compris, les protons et les neutrons ont leur propre système de couches, l'un et l'autre étant indépendant. Cela explique qu'un neutron pourrait acquérir un état énergétique plus stable en 'basculant' dans le système de couches des protons.

Merci à tous les deux !

[Deedee81]

Effectivement, ça a l'air assez intuitif.
Si j'ai bien compris, les protons et les neutrons ont leur propre système de couches, l'un et l'autre étant indépendant. Cela explique qu'un neutron pourrait acquérir un état énergétique plus stable en 'basculant' dans le système de couches des protons.

J4avais mal compris le "basculer dans le système de couches des protons". Bon, tant pis, je laisse ce que je viens de rédiger, ça peut être utile

En fait, c'est grosso modo comme le remplissage des orbitales des électrons autour de l'atome.
Un peu différent ici car on n'est pas "autour" d'un noyau, mais le potentiel reste (approximativement) sphérique. Donc on a des niveaux d'énergie comme pour les électrons.
Comme pour les électrons, protons et neutrons obéissent au principe d'exclusion. D'où un remplissage par paire de protons/neutrons (deux états de spins) par nombre quantique principal, orbital et magnétique. Mais le proton et le neutron étant différents, chacun remplit les couches indépendamment de l'autre (enfin, il faut des corrections pour les interactions p-n, mais disons en première approximation).


S'il y a beaucoup de neutrons, ils vont remplit un grand nombre de couches. Et les plus "externes" seront faiblement liés, avec une énergie de liaison faible. En se transformant en proton ils vont se retrouver dans les couches libres des protons puis retomber rapidement dans les couches plus profondes avec émission de gamma (enfin, pas toujours, le tritium par exemple n'implique pas de remaniement des couches, le "gain d'énergie" est assez faible, mais suffisant pour autoriser la transformation bêta et l'électron bêta a assez peu d'énergie, c'est une des raisons de son usage en médecine.... l'autre raison est qu'il est chimiquement très proche de l'hydrogène).

[Sinistro]

Merci pour les précisions : )