Certains noyaux atomiques sont bien plus stables que leurs voisins du tableau des isotopes. Cette stabilité exceptionnelle se manifeste quand le nombre de protons ou de neutrons qu’ils comportent prend des valeurs bien précises, appelées « nombres magiques ». Elle explique l’abondance cosmique ou celle dans la croûte terrestre des noyaux concernés et conditionne leur comportement en matière de radioactivité ou lors de collisions dans des accélérateurs de particules. Retour sur un phénomène découvert dans les années 1940 qui continue d’intriguer les physiciens nucléaires.

Si les physiciens nucléaires n’ont pas de baguette magique, ils ont des noyaux magiques ! Depuis plus de 8 décennies, les scientifiques ont en effet identifié certains noyaux dont la stabilité est exceptionnelle, comme s’ils obéissaient à une règle cachée. Derrière ce qui pourrait n’être qu’une simple curiosité se cachent en réalité des mécanismes complexes qui régissent l’évolution de la matière à l’échelle nucléaire. Mieux les appréhender est essentiel pour comprendre la radioactivité, la fission nucléaire ou la formation des noyaux dans les étoiles et nourrir les recherches menées sur les noyaux exotiques.

Le noyau atomique

Un noyau atomique est un assemblage de Z protons et de N neutrons. Ces nucléons sont maintenus ensemble par l’interaction forte. Plus l’énergie de liaison par nucléon est élevée, plus il faut fournir d’énergie pour séparer les constituants du noyau.

Pour un atome de numéro atomique Z donné, on peut dénombrer plusieurs isotopes, en fonction du nombre de neutrons que comporte le noyau. Certains noyaux sont stables, d’autres, radioactifs, se transforment spontanément, en émettant un rayonnement, pour atteindre une configuration plus stable.

Des noyaux étonnamment stables

Dans les années 1930-1940, des physiciens ont remarqué que certains noyaux abondants dans l’Univers, présentaient une énergie de liaison par nucléon anormalement élevée et résistaient particulièrement bien à la désintégration.

Ce phénomène se produit chaque fois que Z ou N est égal à l’un de ces nombres : 2, 8, 20, 28, 50, 82, ou quand N vaut 126. Les noyaux d’hélium, oxygène, calcium, nickel, étain, plomb…  sont ainsi plus stables que leurs voisins.  Ces nombres, déterminés alors empiriquement, sont qualifiés de « magiques », faute d’explication au moment de leur découverte !

A cette époque, le noyau est en effet décrit macroscopiquement comme une goutte de matière. Ce modèle, dit de la goutte liquide, permet de calculer l’énergie de liaison du noyau grâce à une seule équation simple, mais pas de rendre compte des propriétés particulières des noyaux magiques.

Magie « au carré »

Les noyaux qui ont à la fois un nombre de neutrons et un nombre de protons égaux à l’un des nombres magiques sont dits doublement magiques, et sont particulièrement stables.

C’est le cas par exemple de l’hélium-4, la particule alpha, composé de 2 protons et 2 neutrons, de l’oxygène-16 (8 protons, 8 neutrons), du calcium-48 (20 protons, 28 neutrons), ou encore du plomb-208 (82 protons, 126 neutrons), le plus lourd noyau doublement magique stable connu.

Les noyaux doublement magiques qui sont radioactifs présentent une instabilité moindre que celle attendue à partir du modèle de la goutte liquide. C’est le cas par exemple du nickel-48, un isotope synthétique produit pour la première fois en 1999 au GANIL, qui comporte 28 protons et 20 neutrons et est moins radioactif qu’attendu (demi-vie de 10 ms), malgré un noyau très largement excédentaire en protons.

Le modèle en couches

À la fin des années 1940, Maria Goeppert-Mayer, Otto Haxel,  J. Hans D. Jensen et Hans Suess proposent indépendamment un modèle théorique expliquant ces régularités, qui transpose au noyau ce que l’on connaît des électrons et de leur organisation dans les atomes : le modèle en couches. Une avancée qui vaudra à Goeppert-Mayer et Jensen le prix Nobel de physique en 1963.

Dans un atome, les électrons sont répartis en couches successives, comportant chacune un nombre fini de places. Les atomes dont une couche électronique est complète (par exemple les gaz rares comme l’hélium ou le néon) sont chimiquement très stables.  Le modèle en couches nucléaires postule qu’il en va de même à l’intérieur du noyau : protons et neutrons occupent, chacun de leur côté, des niveaux d’énergie précis, comme des livres se rangent sur les étagères d’une bibliothèque.

Quand une couche est entièrement remplie, l’édifice nucléaire est particulièrement robuste. Il faut alors une énergie importante pour en arracher un nucléon, ou pour en ajouter un supplémentaire sur la couche suivante, encore vide. C’est cette « fermeture de couche » qui donne au noyau une stabilité renforcée. Pour certaines valeurs de Z ou N, se produisent de véritables « sauts » d’énergie entre une couche remplie et la suivante, conférant à ces noyaux une inertie notable face aux transformations nucléaires et aux stimuli énergétiques.

Ce modèle en couches suffit pour justifier l’existence des premiers nombres magiques (2, 8 et 20), la prise en compte d’un effet complémentaire (appelé « couplage spin-orbite ») permettant de retrouver les valeurs suivantes (28, 50, 82 et 126).

Une magie encore à explorer

Depuis, d’autres modèles du noyau, plus complets (intégrant des notions issues de la mécanique quantique et de la relativité), ont permis aux chercheurs de mieux comprendre et prévoir l’existence et le comportement des noyaux magiques. Mais ces derniers n’ont pas encore livré tous leurs secrets ! L’exploration continue, d’autant que, au-delà de la physique nucléaire fondamentale, les noyaux magiques et leurs incroyables propriétés trouvent des applications pratiques dans l’industrie nucléaire, la médecine ou encore l’astrophysique.■