La phénoménologie de la fission
Lorsqu’un noyau lourd subit une fission, une variété de paires de fragments peuvent se former, en fonction de la distribution des neutrons et des protons entre les fragments. Cela conduit à une distribution de probabilité de la masse et de la charge nucléaire pour les fragments. La probabilité de formation d’un fragment particulier est appelée son rendement en fission et est exprimée en pourcentage de fissions y conduisant.
Les fragments séparés subissent une répulsion de Coulomb importante en raison de leurs charges nucléaires, et ils reculent les uns des autres avec des énergies cinétiques déterminées par les charges de fragments et la distance entre les centres de charge au moment de la scission. Les variations de ces paramètres conduisent à une distribution des énergies cinétiques, même pour la même division de masse.
Les vitesses initiales des fragments de recul sont trop rapides pour que les électrons externes (atomiques) de l’atome fissionnant suivent le rythme, et beaucoup d’entre eux sont éliminés. Ainsi, la charge nucléaire du fragment n’est pas complètement neutralisée par les électrons atomiques et les fragments de fission s’envolent sous forme d’atomes fortement chargés. Lorsque le noyau du fragment passe de sa forme déformée à une configuration plus stable, l’énergie de déformation (c’est-à-dire l’énergie nécessaire pour le déformer) est récupérée et convertie en énergie d’excitation interne, et les neutrons et les rayons gamma rapides (une forme énergétique de rayonnement électromagnétique émise coïncidant presque avec l’événement de fission) peuvent être évaporés du fragment en mouvement. L’atome en mouvement rapide et fortement chargé entre en collision avec les atomes du milieu à travers lequel il se déplace, et son énergie cinétique est transférée à l’ionisation et au chauffage du milieu au fur et à mesure qu’il ralentit et s’arrête. La portée des fragments de fission dans l’air n’est que de quelques centimètres.
Pendant le processus de ralentissement, l’atome chargé capte les électrons du milieu et devient neutre au moment où il s’arrête. À ce stade de la séquence des événements, l’atome produit est appelé produit de fission pour le distinguer du fragment de fission initial formé lors de la scission. Comme quelques neutrons peuvent avoir été perdus lors de la transition du fragment de fission au produit de fission, les deux peuvent ne pas avoir le même nombre de masse. Le produit de fission n’est toujours pas une espèce stable mais est radioactif, et il atteint finalement la stabilité en subissant une série de désintégrations bêta, qui peuvent varier sur une échelle de temps de fractions de seconde à plusieurs années. L’émission bêta se compose d’électrons et d’antineutrinos, souvent accompagnés de rayons gamma et de rayons X.
Les distributions de masse, de charge et d’énergie cinétique des fragments dépendent de l’espèce fissionneuse ainsi que de l’énergie d’excitation à laquelle se produit l’acte de fission. De nombreux autres aspects de la fission ont été observés, ajoutant à la phénoménologie étendue du processus et fournissant un ensemble intrigant de problèmes d’interprétation. Il s’agit notamment de la systématique des sections transversales de fission (une mesure de la probabilité de fission).; la variation du nombre de neutrons rapides (voir ci-dessous) émis en fonction de l’espèce fissionnante et de la division de la masse particulière du fragment ; la distribution angulaire des fragments par rapport à la direction du faisceau de particules induisant la fission ; la systématique des demi-vies de fission spontanée; l’apparition d’isomères de fission spontanée (états excités du noyau); l’émission de particules légères (hydrogène-3, hélium-3, hélium-4, etc.) en nombre faible mais significatif dans certains événements de fission; la présence d’émetteurs de neutrons retardés parmi les produits de fission; l’échelle de temps sur laquelle se déroulent les différentes étapes du processus; et la répartition de la libération d’énergie lors de la fission entre les particules et les radiations produites.
Une discussion détaillée de toutes ces facettes de la fission et de la façon dont les données ont été obtenues n’est pas possible ici, mais quelques-unes d’entre elles sont traitées pour donner un aperçu de ce domaine d’étude et un avant-goût de sa fascination.
Distributions de masse de fragments de fission
La distribution des masses de fragments formées lors de la fission est l’une des caractéristiques les plus frappantes du processus. Elle dépend de la masse du noyau fissionnant et de l’énergie d’excitation à laquelle la fission se produit. À faible énergie d’excitation, la fission de nucléides tels que l’uranium 235 ou le plutonium 239 est asymétrique; c’est-à-dire que les fragments sont formés selon une distribution de probabilité (ou de rendement) à deux bosses favorisant une division inégale en masse. Ceci est illustré à la figure 4. Comme on le remarquera, le groupe léger de masses de fragments se déplace vers des nombres de masse plus élevés à mesure que la masse du noyau fissionnant augmente, alors que la position du groupe lourd reste presque stationnaire. Lorsque l’énergie d’excitation de la fission augmente, la probabilité d’une division de masse symétrique augmente, tandis que celle d’une division asymétrique diminue. Ainsi, la vallée entre les deux pics augmente en probabilité (rendement de formation), et à des excitations élevées, la distribution de masse devient à bosse unique, avec le rendement maximum à symétrie (voir Figure 5). Les isotopes du radium présentent des distributions de masse à triple bosse intéressantes, et les nucléides plus légers que le radium présentent une distribution de masse symétrique à une bosse. (Ces nucléides nécessitent cependant une énergie d’activation relativement élevée pour subir une fission.) Pour les noyaux très lourds dans la région de fermium-260, la courbe de rendement massique devient symétrique (à bosse unique) même pour la fission spontanée, et les énergies cinétiques des fragments sont inhabituellement élevées. Une compréhension de ces distributions de masse a été l’un des principaux casse-tête de la fission, et une interprétation théorique complète fait encore défaut, bien que de nombreux progrès aient été réalisés (voir ci-dessous).
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