Comment diviser un atome

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Les atomes peuvent gagner ou perdre de l'énergie lorsqu'un électron transite entre les orbites supérieures et les orbites inférieures autour du noyau. Toutefois, la division du noyau d'un atome libère une quantité d'énergie considérablement plus importante que celle d'un électron passant d'une orbite supérieure à une orbite inférieure. Cette énergie peut être utilisée dans un but de destruction ou utilisée de façon pacifique et à des fins productives. La division d'un atome s'appelle la fission nucléaire et ce processus a été découvert en 1938. La fission répétée de noyaux atomiques est une « réaction en chaîne  [1]  ».

Partie 1
Partie 1 sur 2:

Comprendre les bases de la fission atomique

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    Certains éléments ou isotopes d'éléments subissent ce qu'on appelle une « décomposition radioactive ». Toutefois, tous les isotopes ne se divisent pas aussi facilement. L'atome le plus abondant de l'uranium comprend 92 protons et 146 neutrons, pour une masse atomique de 238. Lorsque le noyau de cet élément absorbe des neutrons, il ne se divise pas en plus petits noyaux d'autres éléments. Un isotope de l'uranium comprenant trois neutrons en moins, l' 235 U, est beaucoup plus facile à diviser que l' 238 U. Ce type d'isotope est dit « fissile ».
    • Certains isotopes se divisent trop facilement et si rapidement qu'il est impossible de maintenir une réaction de fission continue. C'est ce qu'on appelle la « fission spontanée ». C'est le cas de l'isotope du plutonium 240 Pu, contrairement au 239 Pu qui possède un taux de fission très lent.
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    Procurez-vous une quantité suffisante de l'isotope en question pour vous assurer que la fission va continuer après la division du premier atome. Cela signifie que vous devez posséder une certaine quantité minimum d'isotope fissile pour que la réaction de fission dure dans le temps : c'est ce que l'on appelle la « masse critique ». Pour atteindre cette masse critique, il faut disposer de suffisamment de matériel source de cet isotope pour augmenter les chances de déclencher une réaction de fission.
    • Il est parfois nécessaire d'augmenter la quantité relative d'isotope fissile dans un échantillon pour s'assurer qu'une réaction de fission durable se produise. C'est ce qu'on appelle l'« enrichissement » et différentes méthodes peuvent être employées pour enrichir un échantillon.
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    Une seule particule subatomique peut toucher un atome de 235 U et le diviser en deux atomes d'autres éléments en relâchant trois neutrons. Trois types d'atomes subatomiques sont couramment utilisés.
    • Les protons. Ces particules subatomiques possèdent une masse et une charge positive. L'élément de l'atome est déterminé par le nombre de protons dans cet atome.
    • Les neutrons. Ces particules subatomiques possèdent la même masse que les protons, mais possèdent une charge neutre.
    • Les particules alpha. Ces particules constituent le noyau des atomes d'hélium sans prendre en compte les électrons en orbite autour de ces noyaux. Ces particules comprennent deux protons et deux neutrons.
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Partie 2
Partie 2 sur 2:

Les techniques de fission nucléaire

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    Parce que les particules subatomiques libres sont difficiles à détacher, il est souvent nécessaire de les arracher au noyau auquel elles appartiennent. Une technique consiste à bombarder les atomes d'un isotope donné à l'aide d'autres isotopes identiques.
    • Cette méthode a été utilisée pour créer la bombe atomique à 235 U lâchée sur Hiroshima. Une arme similaire à un canon de fusil avec un cœur en uranium bombarde des atomes de 235 U sur d'autres éléments 235 U, avec une rapidité telle que les neutrons qu'ils relâchent se heurtent systématiquement aux noyaux d'autres atomes d' 235 U pour les diviser à leur tour. À nouveau, les neutrons relâchés percutent et divisent à leur tour d'autres atomes d' 235 U  [2] .
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    Il arrive parfois que les atomes se décomposent trop rapidement pour pouvoir procéder au bombardement. Dans ce cas, le rapprochement des atomes va augmenter les chances que les particules subatomiques relâchées rencontrent et divisent d'autres atomes.
    • Cette méthode a été employée pour créer la bombe atomique à 239 Pu lâchée sur Nagasaki. La bombe était composée d'une masse de plutonium entourée d'explosifs conventionnels. La détonation a eu pour effet de condenser la masse de plutonium, rapprochant ainsi suffisamment les atomes de 239 Pu pour que les neutrons relâchés par ces derniers percutent et divisent de façon continue d'autres atomes de 239 Pu  [3] .
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    Avec le développement des LASERS pétawatt (10 15 watts), il est à présent possible de diviser des atomes en utilisant de la lumière LASER pour exciter les électrons d'une substance radioactive entourée de métal.
    • Au cours d'un test réalisé en 2000 au laboratoire de Lawrence Livermore en Californie, l'uranium était encastré dans de l'or et maintenu dans une chambre en cuivre. La paroi en or et la chambre ont été bombardées avec un flux de lumière LASER à infrarouges de 260 joules, afin d'en exciter les électrons. Lorsque ceux-ci sont redescendus dans leur orbite initiale, ils ont relâché des radiations gamma de haute énergie qui ont pénétré des noyaux de l'or et du cuivre, libérant ainsi des neutrons qui ont ensuite touché et divisé les atomes d'uranium situés en dessous de la couche d'or (l'or et le cuivre sont tous les deux devenus radioactifs suite à cette expérience).
    • Une expérience similaire a été réalisée au laboratoire de Rutherford Appleton en Grande Bretagne, à l'aide d'un laser de 50 térawatts (5 x 10 12 watts) dirigé vers un bloc de tantale abritant divers matériaux : du potassium, de l'argent, du zinc et de l'uranium. Tous ces éléments ont vu une portion de leur noyau se diviser  [4] .
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Avertissements

  • En plus du problème lié à certains isotopes qui entrent trop rapidement en fission, il est aussi possible qu'une explosion plus petite fasse exploser l'assemblage avant qu'il n'ait atteint l'état optimal attendu  [5] .
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Références

  1. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Chain_reaction
  2. ↑ http://www.atomicheritage.org/history/science-behind-atom-bomb
  3. ↑ http://www.atomicheritage.org/history/science-behind-atom-bomb
  4. ↑ http://physics.aps.org/story/v5/st3
  5. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_chain_reaction

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