Lorsque vous entendez le terme « radioactif », vous pensez probablement « mauvaises nouvelles, " peut-être dans le sens des retombées d'une bombe atomique.

Mais les matières radioactives sont en fait utilisées dans un large éventail d'applications bénéfiques. En médecine, ils aident régulièrement à diagnostiquer et à traiter la maladie. L'irradiation aide à garder un certain nombre d'aliments exempts d'insectes et de parasites envahissants. Les archéologues les utilisent pour déterminer l'âge d'un artefact. Et la liste continue. Alors qu'est-ce que la radioactivité ?

C'est l'émission spontanée de rayonnement lorsque le centre dense d'un atome – appelé son noyau – se transforme en un centre différent. Que ce soit sous forme de particules ou d'ondes électromagnétiques appelées rayons gamma, le rayonnement transfère l'énergie du noyau atomique.

A travers des expérimentations, les physiciens nucléaires en ont vu environ 3, 000 types de noyaux différents à ce jour. théories actuelles, bien que, prédire l'existence d'environ 4, 000 de plus qui n'ont encore jamais été observés. Autour du monde, des milliers de scientifiques, y compris moi, continuer à étudier ces minuscules constituants de la matière, tandis que les gouvernements dépensent des milliards de dollars pour construire de nouvelles machines puissantes qui produiront de plus en plus de noyaux exotiques – et peut-être éventuellement plus de technologies qui amélioreront encore la vie moderne.

La naissance de la physique nucléaire

Le physicien français Henri Becquerel a découvert la radioactivité naturelle en 1896. Il essayait d'étudier la phosphorescence des sels d'uranium, c'est-à-dire émettent de la lumière - lorsqu'ils sont exposés au soleil. Becquerel a placé un échantillon d'uranium sur une plaque photographique recouverte de papier opaque et l'a laissé à la lumière directe du soleil. L'assiette s'est brumeuse, ce qu'il a conclu était dû à l'exposition au soleil.

Grâce à quelques jours de temps nuageux, bien que, Becquerel a laissé toute son installation dans un tiroir sombre. Étonnamment, la plaque photographique encore embuée, même en l'absence de lumière. La lumière du soleil n'avait rien à voir avec son observation précédente. C'est la radioactivité naturelle des échantillons d'uranium qui a eu cet effet. Au fur et à mesure que les noyaux d'uranium se désintègrent, c'est-à-dire transformés en différents noyaux - ils ont émis spontanément des ondes lumineuses qui se sont enregistrées sur les plaques photographiques.

La découverte de Becquerel a inauguré une nouvelle ère de la physique et a lancé le domaine de la science nucléaire. Pour ce travail, il a remporté le prix Nobel en 1903.

Depuis, les scientifiques nucléaires ont démêlé une grande partie du fonctionnement interne du noyau atomique, et ont exploité son incroyable énergie à la fois pour de bonnes et malheureusement moins bonnes utilisations. Les découvertes de la physique nucléaire nous ont donné des moyens de regarder à l'intérieur de notre corps de manière non invasive, des moyens de créer de l'énergie sans pollution de l'air, et des façons d'étudier notre histoire et notre environnement.

Au niveau atomique

Les noyaux atomiques connus appartiennent à 118 éléments différents, certains d'entre eux sont d'origine naturelle et d'autres d'origine humaine. Pour chaque élément du tableau périodique, il existe de nombreux "isotopes, " du mot grec " , " ce qui signifie " même endroit, " impliquant la même place dans le tableau périodique des éléments.

Être le même élément, deux isotopes doivent avoir le même nombre de protons – la particule subatomique chargée positivement. C'est leur nombre de neutrons – des particules subatomiques sans aucune charge – qui peut varier considérablement.

Par exemple, l'or est l'élément 79 du tableau périodique, et tous les isotopes de l'or auront le même métal, aspect jaunâtre. Cependant, il y a 40 isotopes connus de l'or qui ont été découverts, et environ 20 autres sont théorisés pour exister. Un seul de ces isotopes est le « stable, " ou d'origine naturelle, forme d'or que vous portez peut-être à l'annulaire en ce moment. Les autres sont des isotopes radioactifs, également appelés « isotopes rares ».

Les isotopes rares ont chacun des propriétés uniques :ils vivent pendant des durées différentes, d'une fraction de seconde à quelques milliards d'années, et ils libèrent différents types de rayonnement et différentes quantités d'énergie.

Par exemple, les détecteurs de fumée modernes utilisent l'isotope Americium-241, qui émet un type de rayonnement appelé particules alpha qui ont une très courte portée. La radioactivité ne peut pas voyager à plus de quelques centimètres dans l'air. L'américium-241 vit quelques centaines d'années.

D'autre part, l'isotope Fluor-18, qui est couramment utilisé dans les tomodensitogrammes médicaux, ne vit qu'environ 100 minutes - assez longtemps pour terminer l'analyse, mais suffisamment court pour éviter d'irradier le corps sain inutilement pendant une période prolongée. Le rayonnement électromagnétique secondaire qui provient du Fluor-18 est sous forme de rayons gamma à longue portée, ce qui lui permet de voyager hors du corps et dans les caméras TEP.

Ces différentes propriétés nucléaires rendent chaque isotope rare unique, et les physiciens nucléaires doivent concevoir des expériences spécialisées pour étudier chacune d'entre elles séparément.

Chasser pour plus

La recherche actuelle en science nucléaire s'efforce de développer de nouvelles techniques pour découvrir de nouveaux isotopes, comprendre leurs propriétés, et finalement les produire et les récolter efficacement.

La production d'isotopes rares n'est pas une tâche facile; il faut de grosses machines qui feront voyager les noyaux, et se heurtent, à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Au cours de ces collisions, les noyaux peuvent fusionner, ou ils peuvent se séparer, produire de nouveaux noyaux, potentiellement avec des combinaisons inédites de protons et de neutrons.

Les physiciens nucléaires disposent d'équipements dédiés - des détecteurs - qui peuvent observer ces noyaux nouvellement formés et le rayonnement qu'ils émettent, et étudier leurs propriétés. Par exemple, au Laboratoire National du Cyclotron Supraconducteur où je travaille, mon groupe a développé un détecteur de rayons gamma extrêmement efficace que nous avons appelé SuN.

La majorité des isotopes connus émettent un rayonnement gamma lorsqu'ils se désintègrent. Nous voulons savoir combien d'énergie est libérée dans ce processus, combien de rayons gamma différents sont émis et comment l'énergie est partagée entre eux, et combien de temps il faut pour que la décomposition ait lieu. SuN peut répondre à ces questions sur l'isotope que nous étudions.

Dans une expérience typique, nous implantons un faisceau d'isotopes rares au centre de SuN. Les isotopes rares se désintègrent d'eux-mêmes après un court laps de temps, environ une seconde ou moins, et émettent leur rayonnement caractéristique. SuN détecte ces rayons gamma émis. C'est notre travail en tant qu'expérimentateurs nucléaires de rassembler le puzzle de la façon dont ces rayons gamma ont été émis et ce qu'ils nous disent sur les propriétés du nouvel isotope.

Ces types de techniques de production et de détection sont complexes et coûteux, et par conséquent, il n'y a qu'une poignée de laboratoires d'isotopes rares dans le monde qui peuvent produire et étudier les espèces nucléaires les plus exotiques.

Il est impossible de prédire quelles nouvelles découvertes en recherche fondamentale auront un impact sur la vie des gens. Qui aurait pu savoir il y a 100 ans, quand l'électron a été découvert, que pendant quelques décennies, presque toutes les maisons du monde développé auraient une machine à électrons – autrement connue sous le nom de tube cathodique – pour regarder la télévision ? Et qui aurait pu deviner que la découverte de la radioactivité conduirait finalement à une exploration spatiale alimentée par des désintégrations radioactives ?

De la même manière, nous ne pouvons pas prédire quelles découvertes d'isotopes rares changeront la donne, mais avec plus de la moitié des isotopes prévus encore inexplorés, pour moi, les possibilités semblent infinies.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.