1 décembre 2018 | 
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Niveaux d’énergies au sein de l’atome
Une structure en couches …
La conquête de l’espace nous a habitué aux mouvements d’un satellite autour de la Terre. A l’aide de fusée d’appoints, les techniciens peuvent faire varier à volonté son énergie et sa trajectoire d’un satellite et l’amener ainsi à suivre n’importe quelle autre orbite
Niveaux d’énergie des électrons atomiques
Ce diagramme de l’énergie des électrons dans un atome fait apparaître sa structure en couches. La mécanique quantique n’autorise qu’un nombre limité de valeurs de l’énergie ou niveaux. Le niveau le plus bas (couche K) ne peut être occupé que par 2 électrons, le second niveau (couche L) par 8 électrons, le troisième (couche M) par 18 électrons. Les électrons de la couche K sont les plus proches du noyau. Sur l’atome de la figure, un électron de la couche K a été éjecté par le passage d’un rayonnement. La place disponible est immédiatement occupée par un électron de la couche L, qui « saute »au niveau inférieur en émettant un rayonnement X.
Ce diagramme de l’énergie des électrons dans un atome fait apparaître sa structure en couches. La mécanique quantique n’autorise qu’un nombre limité de valeurs de l’énergie ou niveaux. Le niveau le plus bas (couche K) ne peut être occupé que par 2 électrons, le second niveau (couche L) par 8 électrons, le troisième (couche M) par 18 électrons. Les électrons de la couche K sont les plus proches du noyau. Sur l’atome de la figure, un électron de la couche K a été éjecté par le passage d’un rayonnement. La place disponible est immédiatement occupée par un électron de la couche L, qui « saute »au niveau inférieur en émettant un rayonnement X.
L’électron qui tourne autour d’un noyau ne jouit pas de cette liberté. La nature lui impose un choix limité d’énergies, de la même façon que l’industrie impose aux mécaniciens une série de tailles de boulons : l’électron ne peut pas avoir n’importe quelle énergie. L’émission ou l’absorption de photons jouent le rôle des fusées d’appoint, en faisant sauter l’électron d’une « trajectoire » à une autre. Mais cette dernière ne peut qu’appartenir à une suite de trajectoires prédéfinies.
L’échelle microscopique est régie par la mécanique quantique. Il est préférable de parler de l’état d’un électron plutôt que de sa « trajectoire » : cet état est caractérisé par son énergie et la manière dont il occupe l’espace. Autour d’un noyau, le nombre d’états que peut occuper un électron est limité. On regroupe les différents états de même énergie sous le nom de « couches ». Les électrons d’un atome appartiennent à diverses couches caractérisées par une énergie. Ces couches sont appelés K, L, M, N… par les atomistes.
La couche K qui correspond à l’attraction la plus forte par le noyau est la première à se remplir. Deux électrons au maximum peuvent occuper cette couche. Un troisième électron n’y trouverait pas de place. Il doit se placer sur la couche suivante, la couche L, où il sera moins lié au noyau que les électrons de la couche K.
Les énergies de liaison des électrons sur les couches suivantes sont de plus en plus faibles. Quand une place devient disponible sur une couche, un électron situé sur une couche plus externe comble ce vide en sautant pour occuper la place laissée libre et être ainsi plus lié au noyau. Cette transition est accompagnée par l’émission d’un grain d’énergie « électromagnétique » qui hérite de la différence d’énergie de liaison entre les deux couches. Ces minuscules ondes électromagnétiques sont des photons dont certains – les photons lumineux – sont capables d’impressionner la rétine de l’œil.
L’énergie du photon est égale à la différence d’énergie des deux couches. L’énergie des couches étant caractéristiques de l’atome, celle du photon l’est aussi. La longueur d’onde de ce photon (c’est-à-dire sa couleur dans le cas de la lumière) étant reliée à son énergie, cette longueur d’onde est à son tour propre à l’atome.
La lumière et plus généralement les rayonnements émis sont donc caractéristiques de l’atome et du saut dans l’atome. Quand on analyse cette lumière par un prisme en fonction de la longueur d’onde, on observe une suite de raies, dont chacune correspond à un saut entre couches. Ces raies constituent une empreinte extraordinaire. Elles permettent d’identifier la présence d’hydrogène ou d’autres atomes, dans des planètes ou des étoiles situées à des années lumières.
Analogie avec l’atome : des états d’énergie bien définis.
Spectre gamma
La conséquence de l’existence de niveaux d’énergie dans les noyaux est l’émission de photons gamma d’énergies caractéristiques. Ces gamma sont de véritables empreintes digitales, utilisées pour identifier la présence des noyaux radioactifs dans un échantillon de matière. L’image montre la répartition en énergie des photons sortant d’un tel échantillon et dont l’énergie a été mesurée avec une grande précision. On aperçoit une suite de raies caractéristiques des éléments présents. Le fond continu est dû à des gamma incomplètement détectés. Il s’agit bien de gamma car l’énergie de ces photons dépasse la centaine de milliers d’électronvolts, énergie maximale des rayons X issus des atomes.
La conséquence de l’existence de niveaux d’énergie dans les noyaux est l’émission de photons gamma d’énergies caractéristiques. Ces gamma sont de véritables empreintes digitales, utilisées pour identifier la présence des noyaux radioactifs dans un échantillon de matière. L’image montre la répartition en énergie des photons sortant d’un tel échantillon et dont l’énergie a été mesurée avec une grande précision. On aperçoit une suite de raies caractéristiques des éléments présents. Le fond continu est dû à des gamma incomplètement détectés. Il s’agit bien de gamma car l’énergie de ces photons dépasse la centaine de milliers d’électronvolts, énergie maximale des rayons X issus des atomes.
Les noyaux sont a priori très différents des atomes. Cent mille fois plus petits, ils sont plus complexes. La matière nucléaire est compacte alors que l’espace atomique est essentiellement constitué de vide. Pourtant noyaux et atomes présentent des traits communs.
Quand le noyau se trouve dans un autre état, il dispose d’un supplément d’énergie. Il retourne à l’état normal (celui de repos maximum) et se débarrasse de son énergie d’excitation en émettant un photon d’énergie caractéristique, appelé photon γ ou gamma. Ces photons sont de même nature que les photons et rayons X émis par les atomes, mais leur énergie est beaucoup plus grande : couramment de l’ordre du million d’électronvolts (MeV).
Niveaux d’énergie du Nickel-60
Ce diagramme représente l’échelle des énergies d’excitation permises pour un noyau de nickel-60, résultat de la désintégration du cobalt-60. Le niveau le plus bas, appelé niveau fondamental, correspond au repos. Quand le noyau est dans un des niveaux excités (l’un des barreaux de l’échelle), il retourne immédiatement au niveau fondamental en émettant un ou plusieurs gamma d’énergies caractéristiques. Ces énergies sont obtenues en faisant la différence des énergies de départ et d’arrivée, définies très précisément. Les transitions en cascade numérotées 4 et 5 , 1000 fois plus fréquentes que les autres ont été représentées par des flèches épaisses.
Ce diagramme représente l’échelle des énergies d’excitation permises pour un noyau de nickel-60, résultat de la désintégration du cobalt-60. Le niveau le plus bas, appelé niveau fondamental, correspond au repos. Quand le noyau est dans un des niveaux excités (l’un des barreaux de l’échelle), il retourne immédiatement au niveau fondamental en émettant un ou plusieurs gamma d’énergies caractéristiques. Ces énergies sont obtenues en faisant la différence des énergies de départ et d’arrivée, définies très précisément. Les transitions en cascade numérotées 4 et 5 , 1000 fois plus fréquentes que les autres ont été représentées par des flèches épaisses.
Les états d’énergie de la communauté de nucléons assemblée en noyau sont variés. Tout d’abord, on observe, comme dans l’atome, l’existence de couches. Les énergies de liaison des nucléons du noyau ne peuvent prendre qu’une suite de valeurs imposées correspondant à autant de « couches ».
Par exemple, des configurations avec 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 nucléons d’une espèce confèrent une stabilité plus grande au noyau. Il y a analogie avec la stabilité des atomes de gaz rares dont la couche externe est complète. Ces nombres sont dits « magiques ».
Les noyaux sont également gouvernés par les lois de la mécanique quantique qui prennent le pas sur celles de la mécanique classique à l’échelle microscopique. Le noyau ne peut se retrouver que dans un nombre limité d’états. Ces « états » sont caractérisés en premier lieu par une énergie. L’état que le noyau finit par atteindre quand il est livré à lui-même est celui dont l’énergie est minimum : c’est l’état « fondamental ».
Spectre gamma du cobalt-60
Les états excités du Nickel-60 sont atteints lors de la désintégration bêta d’un élément radioactif très utilisé en médecine, le cobalt-60. Lors du retour à l’état fondamental, divers gamma sont émis, selon le chemin choisi par le noyau pour atteindre le repos. Certains sont plus fréquents que d’autres. Dans cet exemple, on observe dans pratiquement 100 % des retours deux gamma émis en cascade d’énergie voisine de 1 MeV . Les autres gamma jouent un rôle marginal. Ces deux gamma d’énergies caractéristiques (1.17324 et 1.33250 MeV) offrent une signature extraordinairement sensible de la désintégration du cobalt radioactif.
Les états excités du Nickel-60 sont atteints lors de la désintégration bêta d’un élément radioactif très utilisé en médecine, le cobalt-60. Lors du retour à l’état fondamental, divers gamma sont émis, selon le chemin choisi par le noyau pour atteindre le repos. Certains sont plus fréquents que d’autres. Dans cet exemple, on observe dans pratiquement 100 % des retours deux gamma émis en cascade d’énergie voisine de 1 MeV . Les autres gamma jouent un rôle marginal. Ces deux gamma d’énergies caractéristiques (1.17324 et 1.33250 MeV) offrent une signature extraordinairement sensible de la désintégration du cobalt radioactif.
En plus de cette structure en couches, le noyau peut avoir des mouvements collectifs qui correspondent à de nouveaux états. Contrairement à l’atome où l’on peut considérer l’état d’un électron individuel (niveau d’énergie, état de rotation), pour un noyau on ne peut considérer que l’ensemble de ses nucléons.
Ainsi la communauté de nucléons peut entrer en vibration. Les énergies de ces vibrations ne peuvent prendre que des valeurs bien déterminées, en vertu de la mécanique quantique.
Enfin, le noyau n’est pas forcément sphérique, il peut se déformer et subir un mouvement de rotation collectif. Les énergies de ces états de rotation ne peuvent également prendre qu’une série de valeurs déterminées. On dit qu’elles sont quantifiées.