Des scientifiques découvrent une île nucléaire qui défie carrément la chimie traditionnelle

Quand les règles de Rutherford ne suffisent plus

C’est drôle comme on pense parfois avoir tout compris. En 1911, le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford a posé les bases en théorisant que les atomes contenaient un noyau. Depuis ce moment charnière, disons qu’on a pas mal bossé : les scientifiques ont appris des tonnes de choses sur les tenants et les aboutissants de ce fameux noyau, tout en remplissant consciencieusement le tableau périodique avec ses 118 éléments atomiques.

Il s’avère que les noyaux atomiques, dans leur grande majorité, suivent des règles plutôt simples. Prenez les noyaux légers par exemple – ceux avec les petits numéros sur le tableau périodique. Pour eux, avoir le même nombre de neutrons et de protons augmente la stabilité et forme ce qu’on appelle la ligne N=Z (où « N » représente les neutrons et « Z » les protons). C’est assez logique, non ? Mais attendez, c’est là que ça se corse.

À mesure que ces chiffres grimpent, les forces électromagnétiques répulsives des protons entrent en jeu et exigent la présence d’un nombre croissant de neutrons pour maintenir la stabilité. En gros, s’il n’y a pas assez de neutrons, les protons vont se repousser mutuellement et littéralement faire éclater le noyau, ce qui entraîne une déviation de cette fameuse ligne. C’est de la physique de base, enfin, c’est ce qu’on croyait.

Les « Îles d’Inversion » : Là où la géométrie part en vrille

Mais voilà, la nature a horreur d’être trop prévisible. Au fil des années, les chercheurs ont remarqué quelques bizarreries comportementales connues sous le nom d’« îles d’inversion ». Ce sont des zones étranges, un peu comme le Triangle des Bermudes de la physique nucléaire, où les règles habituelles de la structure nucléaire cessent tout simplement de fonctionner. Dans ces régions, les « nombres magiques » – ces décomptes précis de protons et de neutrons qui forment normalement des noyaux stables – disparaissent purement et simplement.

Ce qui se passe alors est fascinant : les formes sphériques s’effondrent et des objets déformés prennent le dessus. On parle ici d’une variation significative de la forme du noyau par rapport à une sphère parfaite. La plupart du temps, ces « îles » surgissent dans des isotopes exotiques comme le béryllium-12, le magnésium-32 et le chrome-64. Vous noterez que ce sont tous des éléments assez éloignés des noyaux « normaux » qu’on trouve dans la nature, et ils se situent généralement du côté riche en neutrons de la ligne de stabilité.

Tenez, prenons un exemple concret pour visualiser le truc. L’isotope le plus courant du chrome, c’est le chrome-52. Il est sage, il contient 24 protons et 28 neutrons. Rien à signaler. Par contre, le chrome-64, lui, c’est une autre histoire : il contient toujours ses 24 protons, mais il embarque un nombre faramineux de 40 neutrons. C’est dans ce genre de déséquilibre que les scientifiques avaient l’habitude de voir ces anomalies.

Une découverte inattendue chez le Molybdène

Et c’est là qu’une nouvelle étude internationale vient mettre un coup de pied dans la fourmilière. Les scientifiques ont découvert une île d’inversion remarquablement riche en protons – ce qu’ils appellent une « Île d’Inversion à Symétrie d’Isospin » – en examinant deux isotopes du molybdène : le Mo-84 (Z=N=42) et le Mo-86 (Z=42, Z=44). Franchement, c’est surprenant.

Ils ont constaté que la différence de seulement deux neutrons a provoqué chez le Mo-84 ce qu’on appelle une « excitation particule-trou ». En gros, des nucléons sautent vers des orbitales d’énergie supérieure et laissent des vacances – des trous – dans leur sillage. Le plus dingue, c’est que ce comportement se produit dans une région stable, là où le nombre de protons égale approximativement le nombre de neutrons, ce qui défie totalement l’endroit où ces « îles d’inversion » sont censées apparaître.

Les auteurs de l’étude, publiée dans la revue Nature Communications, ne cachent pas leur enthousiasme. Ils ont écrit : « Alors que ce phénomène a été jusqu’à présent étudié dans des noyaux très riches en neutrons, sa manifestation dans des noyaux résidant du côté riche en protons reste à explorer en détail en raison de la difficulté expérimentale de produire des noyaux N ~ Z de masse moyenne-lourde ». Ils ajoutent que ces deux isotopes révèlent un changement profond dans leur structure et offrent un aperçu plus approfondi de l’évolution de la structure nucléaire du côté riche en protons de la ligne de stabilité.

Une méthodologie digne d’un film de science-fiction

Je ne sais pas ce qui est le plus impressionnant : la découverte ou la manière dont ils y sont parvenus. Les méthodes utilisées sont presque aussi complexes que la physique qu’elles révèlent. Pour commencer, l’équipe a dû bombarder une cible de béryllium avec des ions accélérés de Mo-92. C’est un peu comme jouer au billard à une échelle subatomique.

Ensuite, il a fallu séparer les fragments désirés après les collisions. Lorsque les atomes de Mo-86 résultants ont frappé une seconde cible, certains ont été excités pour se transformer en Mo-84, émettant des rayons gamma au passage. C’est là que la technologie de pointe entre en scène. Ces rayons gamma ont été mesurés par le spectromètre à rayons gamma GRETINA et l’instrument TRIPLEX (Triple Plunger for Exotic beams). Oui, ça sonne très technique, mais ces deux engins sont capables d’enregistrer des durées de vie atomiques extrêmement courtes.

Ce sont ces données résultantes qui ont permis aux scientifiques de discerner la déformation nucléaire. Cette nouvelle « Île d’Inversion à Symétrie d’Isospin » montre bien que, même si on a fait d’énormes progrès depuis les expériences de Rutherford au début du 20e siècle, il reste encore plein de mystères nucléaires qui attendent, tapis dans l’ombre, d’être résolus.

Selon la source : popularmechanics.com

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