Comment trouver quel atome est le plus stable ?

La quête de la stabilité atomique : bien plus qu’un simple rapport N/Z

La stabilité d’un atome, concept fondamental en physique nucléaire, ne se résume pas à une simple formule, bien que le rapport N/Z (nombre de neutrons / nombre de protons, ou numéro atomique Z) joue un rôle crucial. L’affirmation selon laquelle un rapport N/Z inférieur à 1 garantit la stabilité est une simplification excessive et, en réalité, trompeuse. La stabilité atomique est un phénomène complexe, dépendant de plusieurs facteurs interconnectés qui interagissent de manière subtile.

Le rapport N/Z est un indicateur utile, surtout pour les atomes légers. Pour ces atomes, un rapport proche de 1 suggère une bonne stabilité. Cela s’explique par l’équilibre entre la force nucléaire forte, qui maintient les nucléons (protons et neutrons) liés ensemble dans le noyau, et la force électromagnétique répulsive entre les protons positivement chargés. Un excès de protons, conduisant à un rapport N/Z inférieur à 1, exacerbe cette répulsion, augmentant la probabilité de désintégration radioactive.

Cependant, au fur et à mesure que le numéro atomique augmente, la situation se complexifie. Pour les atomes lourds, un rapport N/Z supérieur à 1 devient nécessaire pour assurer la stabilité. Ceci est dû à l’augmentation de la répulsion coulombienne entre les protons. Un surplus de neutrons contribue à atténuer cette répulsion en augmentant la force nucléaire forte sans ajouter de charge positive supplémentaire. La “ligne de stabilité” représentée sur un graphique N/Z n’est pas une ligne droite, mais plutôt une courbe qui s’écarte progressivement de la valeur N/Z=1 pour les atomes plus lourds.

Au-delà du rapport N/Z, d’autres facteurs influent significativement sur la stabilité atomique :

• Le nombre magique de nucléons: Certains nombres de protons ou de neutrons (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) confèrent une stabilité particulière aux noyaux atomiques. Ces “nombres magiques” correspondent à des couches nucléaires complètes, analogues aux couches électroniques complètes qui confèrent une grande stabilité aux atomes dans le modèle de Bohr.

• L’énergie de liaison nucléaire: L’énergie nécessaire pour séparer tous les nucléons d’un noyau est un indicateur direct de sa stabilité. Plus cette énergie de liaison est élevée par nucléon, plus le noyau est stable.

• L’isospin: Ce concept de la physique nucléaire prend en compte la similitude entre protons et neutrons, les considérant comme deux états d’une même particule, le nucléon. Une configuration optimale d’isospin contribue à la stabilité nucléaire.

En conclusion, identifier l’atome le plus stable est une question complexe qui ne se résume pas à une simple comparaison de rapports N/Z. La stabilité atomique est le fruit d’un délicat équilibre entre forces nucléaires et électromagnétiques, influencé par des facteurs tels que le nombre magique de nucléons, l’énergie de liaison et l’isospin. Le fer-56 (⁵⁶Fe) est souvent cité comme l’atome le plus stable, possédant une énergie de liaison par nucléon exceptionnellement élevée. Cependant, même cette affirmation doit être nuancée, car la stabilité est une question de degrés et dépend du contexte.