Désintégration nucléaire et hasard

[invitea20bed5c]

Bonjour,

Il est communément admis que les désintégrations nucléaires se produisent au hasard. Je me pose plusieurs questions à ce sujet :

- Sait-on d’où provient l'énergie nécessaire à une désintégration ? Peut-elle être apportée par une fluctuation quantique du vide ?

- Si les désintégrations individuelles sont dues au hasard, alors elles ne suivent aucune loi. Dans ce cas comment expliquer l'existence de la période radioactive ?

- Y’a-t-il des faits expérimentaux qui empêchent de penser que les fluctuations énergétiques du vide ainsi que les désintégrations nucléaires obéissent à des lois que nous ne connaissons pas ?

Merci !

Gilles
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Bonjour,

Il est communément admis que les désintégrations nucléaires se produisent au hasard. Je me pose plusieurs questions à ce sujet :

- Sait-on d’où provient l'énergie nécessaire à une désintégration ? Peut-elle être apportée par une fluctuation quantique du vide ?

Gilles

L'énergie libérée dans une désintégration vient du noyau: celui-ci est plus léger que la somme des masses de ses constituants car les constituants sont "collés" entre eux par l'interaction forte, et il faut fournir de l'énergie au noyau pour les séparer. Via E=mc2 cette énergie se traduit par un "défaut de masse" du noyau. Dans une désintégration, la somme des masses des produits finals est inférieure à la masse du noyau initial, la différence se retrouve en énergie cinétique des produits.

- Si les désintégrations individuelles sont dues au hasard, alors elles ne suivent aucune loi. Dans ce cas comment expliquer l'existence de la période radioactive ?
Gilles

Mais le hasard peut suivre des lois! Quand on lance un dé, une face apparaît au hasard. Mais sur de nombreux lancers, chaque face apparaît une fois sur six, sauf trucage. C'est pareil pour la radioactivité: la probabilité de désintégration par unité de temps est constante pour un noyau d'un type donné, par exemple une chance sur mille par seconde. Qu'un noyau précis se désintègre ou non au cours de cette seconde est aléatoire, mais sur un million de noyaux, mille se désintègreront (en moyenne!) chaque seconde. C'est précisément la constance de la probabilité qui conduit à la loi de décroissance exponentielle et à la notion de période radioactive.

- Y’a-t-il des faits expérimentaux qui empêchent de penser que les fluctuations énergétiques du vide ainsi que les désintégrations nucléaires obéissent à des lois que nous ne connaissons pas ?

Merci !
Gilles

Je ne connais pas de fait expérimental qui conduise à penser qu'elles "obéissent à des lois que nous ne connaissons pas", ce qui est légèrement différent.

[invitea20bed5c]

...et il faut fournir de l'énergie au noyau pour les séparer. Via E=mc2 cette énergie se traduit par un "défaut de masse" du noyau. Dans une désintégration, la somme des masses des produits finals est inférieure à la masse du noyau initial, la différence se retrouve en énergie cinétique des produits.

Si j'ai bien compris c'est l'énergie due au "défaut de masse" initial du noyau qui permet la désintégration. Dans ce cas pourquoi ne se produit-elle pas "tout de suite" ? Autrement dit, comment l'atome a t'il pu être créé instable ? Comment "tient-il" ?

Mais le hasard peut suivre des lois! Quand on lance un dé, une face apparaît au hasard...

Tout à fait, ma question était idiote.

Je ne connais pas de fait expérimental qui conduise à penser qu'elles "obéissent à des lois que nous ne connaissons pas", ce qui est légèrement différent.

Bien sûr ! Je déduis de votre réponse qu'il n'y a pas à votre connaissance de fait expérimental qui rende impossible la possibilité d'une loi d'évolution inconnue.

[invite9e1f1220]

Si j'ai bien compris c'est l'énergie due au "défaut de masse" initial du noyau qui permet la désintégration. Dans ce cas pourquoi ne se produit-elle pas "tout de suite" ? Autrement dit, comment l'atome a t'il pu être créé instable ? Comment "tient-il" ?

Parce qu'il existe un obstacle. Un livre posé sur une table a plus d'énergie que le même livre sur le sol, mais il ne tombe pas tout seul car il a besoin d'un peu d'énergie pour passer d'une position à l'autre. Dans l'émission alpha, l'état intermédiaire a plus d'énergie que le noyau initial et l'émission est impossible en mécanique classique. En mécanique quantique, la transition est possible par effet tunnel, mais elle n'a qu'une certaine probabilité de se produire par unité de temps, fonction de la hauteur de l'obstacle. La transition bêta passe elle aussi par un état intermédiaire peu probable, la transition gamma a moins d'obstacles à franchir et elle est quasiment instantanée.

Bien sûr ! Je déduis de votre réponse qu'il n'y a pas à votre connaissance de fait expérimental qui rende impossible la possibilité d'une loi d'évolution inconnue.

Oui, mais il n'y a pas non plus de fait expérimental qui rende impossible la possibilité d'une planète couverte de gruyère quelque part dans l'univers.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea20bed5c]

la transition est possible par effet tunnel, mais elle n'a qu'une certaine probabilité de se produire par unité de temps, fonction de la hauteur de l'obstacle. La transition bêta passe elle aussi par un état intermédiaire peu probable, la transition gamma a moins d'obstacles à franchir et elle est quasiment instantanée.

Cet effet tunnel a t'il un rapport avec les fluctuations du vide quantique ?

Oui, mais il n'y a pas non plus de fait expérimental qui rende impossible la possibilité d'une planète couverte de gruyère quelque part dans l'univers.

[invite9e1f1220]

Cet effet tunnel a t'il un rapport avec les fluctuations du vide quantique ?

Non, mais avec la nature ondulatoire de la particule. Classiquement, une balle rebondit sur un mur, ou le traverse selon son énergie, une onde (sonore par exemple) rebondit et le traverse en même temps. Et l'intensité de l'onde transmise diminue exponentiellement avec l'épaisseur du mur.

[invitea20bed5c]

Non, mais avec la nature ondulatoire de la particule. Classiquement, une balle rebondit sur un mur, ou le traverse selon son énergie, une onde (sonore par exemple) rebondit et le traverse en même temps. Et l'intensité de l'onde transmise diminue exponentiellement avec l'épaisseur du mur.

Encore merci pour vos réponses ! Qui amènent d'autres questions...

- La particule émise est-elle prisonnière d'un puit de potentiel jusqu'à ce qu'une autre particule franchisse le mur par effet tunnel afin de lui apporter l'énergie nécessaire à franchir le mur ? Dans ce cas quelles sont les particules susceptibles de franchir le mur par effet tunnel ?

- Ou bien la particule prisonnière franchit-elle seule, par effet tunnel, la paroi du puit ?

- Peut-on dire que l'effet tunnel et les fluctuations du vide quantique sont tous deux des conséquences des relations d'incertitude ?

[invite9e1f1220]

Encore merci pour vos réponses ! Qui amènent d'autres questions...

- La particule émise est-elle prisonnière d'un puit de potentiel jusqu'à ce qu'une autre particule franchisse le mur par effet tunnel afin de lui apporter l'énergie nécessaire à franchir le mur ? Dans ce cas quelles sont les particules susceptibles de franchir le mur par effet tunnel ?

- Ou bien la particule prisonnière franchit-elle seule, par effet tunnel, la paroi du puit ?

Elle la franchit toute seule. D'une façon imagée (et donc erronée) on pourrait dire que la particule prisonnière se transforme en onde, que les murs n'arrêtent pas s'ils ne sont pas trop épais, puis se retransforme en particule une fois évadée. Comme toujours, la réalité est un peu plus complexe que cette image semi-classique: la particule n'existe pas vraiment avant de franchir le mur (il n'y a pas un alpha en tant que tel à l'intérieur d'un noyau d'uranium), il y a une fonction d'onde avec 238 nucléons dans un noyau, une autre avec 234 nucléons dans un noyau et 4 dans un autre, et une probabilité de transition d'un état à l'autre. Mais les images sont bien pratiques à condition à ne pas poursuivre les métaphores trop loin.

- Peut-on dire que l'effet tunnel et les fluctuations du vide quantique sont tous deux des conséquences des relations d'incertitude ?

Oui, on peut le voir ainsi, dans la mesure où les inégalités d'Heisenberg traduisent l'aspect ondulatoire de la matière.