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Accueil > Groupes de recherche > Structure du noyau > Fission Induite et Noyaux Exotiques > Description illustréee

Description illustréee

Texte : I. Deloncle
Dessins : I. Deloncle et M. Kaci
Mise en page : I. Deloncle et A. Astier

Avertissement

Les flous artistiques
de cette histoire peuvent choquer les lecteurs par trop avertis en ces
matières, qu’ils passent leur chemin ou acceptent d’oublier, le temps d’une
lecture, l’irrépressible besoin d’entière exactitude scientifique.

D’un fruit au Soleil...

Nous allons vous raconter comment des noyaux d’atomes, malgré leurs charges qui les contraignent à se repousser, vont pouvoir de temps en temps par notre entremise se rencontrer et s’unir. Cette union sera très brêve, à peine le temps d’une valse endiablée, mais elle permettra quand même la naissance de deux nouveaux nés, malheureusement pas très viables...

Un atome est comme un fruit qui n’aurait que la peau, mais pas sur les os, puisque gonflé à bloc de vide autour de son noyau placé au centre. La peau serait faite d’électrons (chacun de charge -e et qui sont, dans un atome, au nombre de Z, le numéro atomique) se déplaçant sur des orbites entourant le noyau dans toutes les directions. Le noyau serait fait de Z protons (chacun de charge +e, la charge totale d’un atome est nulle) intimement mêlés aux N neutrons. Si, avec un diamètre de l’ordre de l’angström (1 Å = 10-8cm),
ce fruit est minuscule en absolu, il est pourtant astronomiquement gros
à l’échelle de son noyau, dont le diamètre se mesure, lui, en fermi (1
fm = 10-13cm) qui est cent mille fois plus petit que l’angström. Ce rapport de cent mille
dans les tailles est vraiment astronomique, c’est 10 fois plus que le rapport
qu’il y a entre le diamètre de l’orbite de Pluton autour du Soleil et le
diamètre du Soleil ! Et c’est Lord Rutherford qui, au siècle dernier, nous
le verrons plus loin, a proposé le modèle de l’atome malgré cette disproportion : si le noyau d’un atome était de la taille du Soleil, les électrons les
plus extérieurs de l’atome se promèneraient sur des orbites dix fois plus
lointaines que l’orbite de Pluton, la dernière des (ex-)planètes du système
solaire !

Des atomes épluchés, des ions pressés...

Grâce à ce grand éloignement
on peut facilement arracher quelques électrons à l’atome, on dit l’éplucher
partiellement. On obtient ainsi un ion, qui a même taille, même noyau que
l’atome dont il provient, mais pas même charge. Car si un atome est neutre,
c’est parce qu’il possède autant de charges négatives que positives. Cet
équilibre est brisé lorsqu’on retire des électrons, chargés négativement,
et l’ion résultant est donc chargé positivement. Et comme il est chargé,
l’ion va pouvoir être accéléré par une tension électrique. C’est pourquoi
quelque part dans un accélérateur d’ions lourds, on épluche des atomes
d’un élément chimique (lourd), les ions résultants sont accélérés, focalisés
en faisceau et dirigés au travers de tubes, dans lesquels le vide est maintenu,
jusqu’à une chambre à réaction. Dans la chambre à réaction on a placé,
sur le chemin du faisceau, une feuille mince faite d’un élément chimique
généralement plus lourd (souvent un métal) que celui dont on a fait les
ions.

L’alpha et l’oeuf...

Et tout ce dispositif expérimental pour voir quoi ? Une balle contre un mur ou bien un oeuf contre
un mur ? Eh bien, dans la plupart des cas, ni l’un ni l’autre ! Et c’est
un certain Lord Rutherford qui au début du siècle dernier en fut le premier
surpris... Presque tous les ions d’hélium (connus également comme particules α)
envoyés sur une feuille d’or, la traversent tout droit. Et l’infime partie
qui ne va pas tout droit est déviée, avec, parmi les déviations, quelques
rebonds. De cette expérience Rutherford a déduit le modèle de l’atome,
la présence d’un noyau, chargé positivement et concentrant le gros de la
masse de l’atome, autour duquel, parfois très loin, gravitent des électrons.

Des p’tits trous, des p’tits trous...

Car le plus simple pour
expliquer le résultat de l’expérience est de supposer que la feuille d’or,
qui nous semble à nous telle un mur, est, vue par un α,
pleine de trous au travers desquels, suffisamment petits, ils passent,
et qu’ils sont de temps en temps déviés par la présence d’objets compacts
et sphériques. Si on suppose, en ignorant toute structure interne, que
ces objets sont les atomes, les seuls trous envisageables sont entre eux.
Sachant que la distance interatomique calculée à partir de la densité du
métal est, au plus, de 10 Å on obtient donc, au plus, 10 fois plus de
trous que d’atomes (le diamètre atomique est d’environ un Å), soit 10 fois
plus de chance de traverser la feuille en passant dans un trou que de rencontrer
un atome et d’être dévié. On s’attendrait à avoir au minimum 10% d’ions
déviés par les objets compacts, ce qui est très, très loin d’être le cas.
Car ce que nous observons dans nos expériences c’est plutt de l’ordre
1 ion dévié pour cent milliard d’ions envoyés. Il y a donc encore beaucoup,
beaucoup plus de vide ! Et s’il n’est pas qu’entre les atomes, c’est donc
qu’il est aussi dans les atomes.

Vacuitas vacuitatum, et omnia vacuitas !

D’ailleurs, en partant du pourcentage d’ions déviés, de la densité du métal, de la taille et du
nombre d’atomes dans la feuille mince, on peut calculer la proportion de
"vide" par rapport au "plein" dans un atome, et avoir une mesure de
la section, appelée section efficace, de l’objet compact. Section car la
collision ne se produit que s’il y a chevauchement des sections des deux
protagonistes dans le plan perpendiculaire à l’axe de la collision. La
valeur obtenue pour la section efficace de collision dans nos expériences,
de quelques centaines de millibarns (1 mb = 10-27cm2), implique bien la vacuité de l’atome puisque la section de l’objet compact
n’est absolument pas de l’ordre de grandeur de la section d’un atome (1Å2 = 10-16cm2)
mais bien infiniment plus petite, de l’ordre de la section de son noyau
(1fm2 = 10-26cm2).

Un chameau accéléré au travers du chas d’une aiguille...

Pourtant dans
nos expériences ce sont des ions lourds de la taille d’un atome, pas des
particules α
de la taille d’un noyau, que nous envoyons sur une feuille mince. Et un
objet de cette taille ne devrait pas passer dans les trous...

C’est que, à l’énergie avec laquelle
le projectile arrive, l’énergie de répulsion ou d’attraction électrique,
entre ses électrons, ses protons, et les électrons des nuages électroniques,
les protons des noyaux des atomes de la feuille mince, est insignifiante.
Et ainsi qu’une fusée qui, si elle dépense assez d’énergie pour acquérir
la vitesse de libération, quitte la Terre comme si l’attraction terrestre
n’existait pas, notre projectile tant qu’il a assez d’énergie, voyage en
ignorant l’interaction entre charges électriques comme si elles n’existaient
pas. Or, dans un monde sans la force électrostatique, un électron c’est
un point c’est tout de l’espace ; et la probabilité de collision avec un
tel objet ponctuel est nulle. Par contre, dans un tel monde, les noyaux
restent des objets loin d’être ponctuels.

En route vers les étoiles

Et voilà comment des
atomes se font aussi petits que des noyaux ou, comment, en envoyant des
atomes sur des atomes on obtient des sections efficaces d’ordre de grandeur
nucléaire, donc des rencontres de noyaux.
« Des rencontres de noyaux, malgré les astronomiques distances noyau-nuage d’électrons, nuage-nuage ? Infaisable ! » dirait un joueur de bowling.
Et pourtant...
Les missions des deux sondes
<a
href="http://nssdc.gsfc.nasa.gov/database/MasterCatalog?sc=1977-084A" target="_blank">Voyager1
avec leurs messages encodés ont été approuvées par la N.A.S.A : l’univers
étant infini dans toutes les directions et contenant une infinité de corps,
une sonde lancée dans une direction quelconque mettra le temps qu’il faudra mais finira bien par tomber sur quelque chose, peut-être une planète, peut-être habitée et peut-être même que nos messages seront compris...

Mince, tout est relatif !

Et de fait, nos feuilles
soit-disant minces, sont d’une épaisseur gigantesque : de l’ordre du m
(1m=10-4cm)
soit 100 millions (autant dire presque l’infini) de fermis, le fermi étant
à l’échelle de notre projectile...
Et puis c’est infiniment plus que deux sondes que nous envoyons traverser cet infini. Avec nos faisceaux
d’ions lourds, très intenses, ce sont 1010
ions par seconde, qui sont focalisés sur les quelques millimètres de la
feuille mince...
Et c’est ainsi, qu’en opposant
à l’infinité de trous la relative infinie épaisseur de la feuille et une
infinité projectiles nous parvenons à faire se rencontrer quelques couples
de noyaux.

Que de noyaux...


 
 
Donc des collisions se produisent,
le projectile s’unit à la cible dans une fusion totale créant ainsi un
nouveau noyau que l’on appelle composé. C’est un gros noyau, chaud, qui
tourne vite sur lui-même ; on dit qu’il est dans un état excité, et c’est
un état qui ne lui convient pas. Alors, comme un liquide se met à bouillir,
se transformant partiellement en gaz pour évacuer de la chaleur, comme
un patineur écarte les bras pour tourner moins vite, le noyau, pour évacuer
sa chaleur et tourner moins vite, va, lui, émettre des particules plus
ou moins lourdes. Parmi les solutions "lourdes", il peut se partager
en deux et donner naissance à deux noyaux plus petits, deux fragments de
fission un peu moins chauds et tournant un peu moins vite (donc un peu
moins excités que leur noyau-père) ; c’est le phénomène de la fission induite
par ions lourds, le destin d’environ 80% des noyaux composés de nos expériences. Lors
de la fission, le partage se fait dans l’équipartition, favorisant les
couples de fragments symétriques (deux fragments de masses et de charges
aussi égales que possible) : un couple de fragments est d’autant moins
fréquemment crée qu’il est dissymétrique. Mais quelques couples avec un
fragment très léger et un fragment lourd sont observés et, sur la carte
des nuclides, la zone de production de
la fission s’étend ainsi sur plus d’une centaine de noyaux (donc, au mieux,
chacun de ces noyaux sera produit une fois toutes les cent fusions). Dans
chaque série isotopique, les noyaux produits sont pour la plupart instables
car plus riches en neutrons que les isotopes stables, ce qui leur vaut
d’être appelés noyaux exotiques,
et d’être peu (voire pas du tout) connus. En effet, la fusion-fission induite
par ions lourds est pour beaucoup d’isotopes riches en neutrons le seul
moyen de passer un moment, même bref, plein d’excitation sur terre...
Et beaucoup de noyaux peuvent
en profiter puisqu’on peut adapter la zone de production en changeant le
couple cible/projectile de la réaction utilisée.


 
 
 
 

Quels outils ?

Après la fission chacun des deux
fragments se désexcite en émettant tout d’abord des neutrons, puis des γ (photon
de longueur d’onde bien en dessous de l’ultraviolet) en cascades, signatures
univoques d’un noyau. Mais comme ce sont deux cascades de γ (car deux fragments de fission) qui sont émises simultanément, il nous faut
les détecter au mieux pour pouvoir ensuite les démêler. Avec un maximum
de 1% de probabilité d’être produits pour les isotopes les plus chanceux,
on comprend que l’efficacité de détection et le grand nombre d’éléments
de détection des multidétecteurs au Germanium les plus récents, tel EUROBALL,
soit indispensable pour que chaque noyau puisse être identifié individuellement
par ses cascades de γ,
et que sa spectroscopie puisse être abordée. En plus de détecter leurs
transitions γ,
on peut aussi, avec un détecteur PPAC, tel celui développé par les laboratoires
de Daresbury et
Liverpool,
détecter les fragments de fission qui ont pu s’échapper de la cible. Cela
nous permet de connaître la direction de sortie de ces fragments, et de
faire la correction nécessaire pour récupérer les γ qui
sont émis par ces fragments en vol.
Nous préparons ces lourdes expériences
pour EUROBALL grâce au Tandem
d’Orsay
où le détecteur de fragments de fission SAPhIr
nous permet de déterminer la distribution en masse des fragments de fission
associée à une réaction d’ions lourds donnée afin d’en ajuster l’énergie
de faisceau pour la production voulue. En particulier, les effets quantiques,
que sont les effets de couches, qui stabilisent les noyaux dits magiques
et influencent les formes des noyaux, peuvent aussi, à certaines énergies,
entrer en jeu dans nos fissions en favorisant une forme dissymétrique du
noyau composé. Dans cette forme dissymétrique les futurs fragments de fission
sont déjà inscrits, en couples de fragments asymétriques dans lesquels
l’un au moins des deux bénéficie des effets de couches. Certains noyaux
peuvent ainsi être très produits quand leurs plus proches voisins ne le
sont pas du tout. Le grand nombre de noyaux différents
produits en une expérience implique de très nombreux et complexes tris
des données. Nous avons développé, avec l’aide du service informatique,
notre propre outil d’analyse de données FANTASTIC 
[1].

Pour quelle physique ?

Zone de production délimitée par un contour rouge, des noyaux identifiés, qu'ils soient stables  (cases en bleu foncé avec nombre de masse) ou instables (cases jaunes), dans l'expérience de fusion-fission 28Si (@145MeV)+ 176Yb} [2,4-8,10-12]. La case rouge indique le 99Mo centre de la zone de production. Les noyaux magiques en proton (Z = 28,50) comme en neutrons (N = 50,82) sont délimités en bleu clair. Les noyaux pour lesquels nous avons publié des résultats sont indiqués par des cases aux contours verts.
Dans l'encart à droite, sont représentées les productions mesurées pour les séries isotopiques les plus produites dans cette expérience.
 

Les noyaux exotiques !!!

On pense à tort que les forces
qui règnent dans le noyau sont connues. Car, de leur territoire, seul le
sol du fond du grand canyon "La Vallée de Stabilité", où résident les
noyaux stables a pu être extensivement exploré. Nous avons vu précédemment
que les noyaux possèdent des états excités, états dans lesquels le noyau
peut être chaud, tourner, ou vibrer, plus ou moins vite, plus ou moins
homogènement.
Mais la plupart des noyaux sont
connus à partir d’un processus, la radioactivité, ne donnant accès qu’à
des états ayant très peu d’énergie d’excitation, voire qu’à leur état fondamental.
C’est pourquoi le monde nucléaire est représenté sur une carte avec le
nombre de neutrons en longitude, et le nombre de protons en latitude, par
une vallée n’illustrant que la caractéristique principale des états fondamentaux
des noyaux. Cette carte ne recouvre qu’une région limitée, en latitude
et longitude, du monde nucléaire, essentiellement celle des noyaux stables
et des noyaux accessibles par radioactivité. Cette carte n’est dressée
qu’à partir d’une énergie, appelée énergie de liaison, que les noyaux possèdent
en tout état (mais ici reportée pour leur fondamental), en correspondance
avec la force qui régit leur monde, l’interaction nucléaire. De même que
plus une pierre est massive plus le système Terre-pierre est fortement
lié, plus les noyaux ont d’énergie de liaison plus ils sont liés. C’est
un raccourci car en fait ce sont les nucléons (protons et neutrons) qui
sont plus ou moins liés les uns aux autres dans le noyau.


Si les noyaux étaient des hélicoptères utilisant tous le même carburant mais
de puissance de moteur et de longueur de pales différents, les représenter
sur une carte reviendrait à les poser, moteur à l’arrêt, les uns à côté
des autres en ordre de puissance de moteur sur la longitude et de longueur
de pales sur la latitude sur un drap en caoutchouc tendu. Le poids des
hélicoptères jouerait sur le drap en caoutchouc le rôle de l’énergie de
liaison des noyaux sur la charte. Les hélicoptères les plus lourds s’enfonceraient
plus profondément, et si les plus lourds sont consécutifs ils pourraient
aussi faire une Vallée de Lourdeur... Certes nous verrions aisément quels
sont les hélicoptères les plus lourds... Mais nous n’y apprendrions rien
sur leur capacité à s’élever à la verticale d’un point, leur comportement
en vol, leur altitude maximale, le fait qu’elle dépende du rapport entre
poids total et longueur des pales... Or les noyaux, nous le savons, ont
des états à la verticale de leur fondamental, ce sont les états excités
avec pour hauteur l’énergie d’excitation. Certes ces états sont discrets -les noyaux n’ont pas accès à toutes les altitudes, mais à des paliers-
mais pas au point de pouvoir être ignorés. D’ailleurs, les réactions entre
ions lourds qui nous ont permis des expéditions le long des versants de
la Vallée -car vers des noyaux au rapport N/Z les rendant moins liés- nous
ont aussi permis de nous élever à la verticale de ces noyaux, de monter
en moment angulaire jusqu’à des états de rotation rapide... Or, déjà, ni
très loin de la Vallée, ni très haut au dessus du sol, des surprises nous
attendaient, telle la superdéformation, une forme de noyau incroyablement
allongée associée à des états de rotation la plus rapide connue ! C’est
donc, probablement, le principal du monde nucléaire qui reste à découvrir,
hors de la Vallée et de ses versants. Et des réponses à apporter à des
questions d’importance :

Y a-t-il des îles exotiques, faites de quelques noyaux instables, isolées du reste des noyaux, loin de la Vallée de Stabilité ?


 
 
 
  Et pourquoi pas des vallées exotiques, sûrement pas très profondes, avec quelques noyaux éphémères au rapport N/Z que la nature ne pouvait synthétiser ? Est-ce que ce seront les mêmes composantes de la force nucléaire, avec le même poids relatif, qui s'exerceront dans ces lointaines contrées ?
 
 
 
 

Quels sont les bords du monde nucléaire ?


  Quelles sont les valeurs inférieures et supérieures du rapport N/Z au-delà desquelles la matière nucléaire cesse de pouvoir être liée ? Existe-t-il des chemins, que la nature ne connait pas, permettant de relier tous les rapports N/Z possibles, ou bien est-ce que des parties du monde nucléaire serait déconnectées des autres ?
 
 
 
 
 
 
 

Telles sont les questions auxquelles
la physique nucléaire n’a pas encore pu répondre. Et, en attendant les
futurs couples accélerateurs-détecteurs, tels le projet
SPIRAL/
EXOGAM,
qui donneront d’une part des faisceaux déjà eux-mêmes exotiques et d’autre
part les moyens de détecter plus efficacement les produits des réactions,
nous avons mis au jour et exploitons un moyen de production qui est une
mine. Il permet de produire simultanément beaucoup de noyaux exotiques
dans une région de masse donnée, et aussi de faire varier la région de
masse étudiée.


 
 

Références associées :

-1-
New approach in the off-line treatment of high-fold data

 Nucl. Instr. and Meth. A357 (1995) 150

I. Deloncle, M.G. Porquet, M. Dziri-Marcé.

-2-
Fission induced by heavy ions : new results from EUROGAM array

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M.G. Porquet, F. Azaiez, J.F. Sharpey-Schafer, A. Astier, G. Bastin, C.W. Beausang, C.
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A study of fusion-fission at Z = 107

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Exotic nuclei produced by heavy-ion induced fission

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High-spin structures observed in the 101Tc fission fragment

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Lifetimes of 26Al and 34Cl in an astrophysical plasma

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High-spin states of 88Sr : breaking of the neutron core

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E.A. Stefanova, T. Kutsarova, I. Deloncle, M.-G. Porquet, M. Grinberg, E. Gueorguieva, Ts. Venkova,
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Evidence for deformation in 113-116Cd isotopes

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N. Buforn, A. Astier, J. Meyer, M. Meyer, S. Perriès, N. Redon, O. Stézowski,
M.-G. Porquet, I. Deloncle, A. Bauchet, J. Duprat, B.J.P. Gall,
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-12-
High-spin structure of the neutron-rich 104,106,10844Ru isotopes : γ-vibrational bands and two-quasiparticle excitations

 Eur. Phys. J. A 8 (2000) 177

I. Deloncle, A. Bauchet, M.-G. Porquet, M. Girod, S. Péru, J.-P. Delaroche,
A. Wilson, B.J.P. Gall, F. Hoellinger, N. Schulz, E.
Gueorguieva, A. Minkova, T. Kutsarova, Ts. Venkova, C.
Gautherin, R. Lucas, J. Duprat, H. Sergolle, A. Astier, N. Buforn, M. Meyer, S. Perriès,
N. Redon.