Chimie sans limites
Accélérateur de particules
Un accélérateur de particules est un appareil qui utilise des champs électromagnétiques pour propulser des particules chargées à des vitesses élevées dans des faisceaux bien définis.
Objectifs d’apprentissage
Prédire le produit de transmutation nucléaire produit à l’aide d’un accélérateur de particules
Points clés
Points clés
- Les accélérateurs de particules ont historiquement été utilisés pour fracasser des atomes ou des particules ensemble, souvent pour induire une transmutation nucléaire, qui est la conversion d’un élément en un autre.
- Le terme de transmutation remonte à l’alchimie.
- Il existe deux classes fondamentales d’accélérateurs : les accélérateurs électrostatiques et les accélérateurs à champ oscillant.
Termes clés
- Transmutation : La transformation d’un élément en un autre par une réaction nucléaire.
- Alchimie : La recherche antique d’une panacée universelle, et de la pierre philosophale. Le processus s’est finalement développé en chimie.
- Particule subatomique : L’une des nombreuses unités de matière plus petites qu’un atome.
Un accélérateur de particules est un appareil qui utilise des champs électromagnétiques pour propulser des particules chargées à des vitesses élevées et les contenir dans des faisceaux bien définis. Alors que les accélérateurs de particules actuels se concentrent sur le fracassement de particules subatomiques, les premiers accélérateurs de particules fracassaient des atomes entiers, induisant une fusion nucléaire et donc une transmutation nucléaire.
La transmutation nucléaire est la conversion d’un élément chimique ou d’un isotope en un autre. En d’autres termes, les atomes d’un élément peuvent être changés en atomes d’un autre élément par transmutation. Cela se produit soit par des réactions nucléaires dans lesquelles une particule extérieure réagit avec un noyau, ce qui peut être fourni par un accélérateur de particules, soit par désintégration radioactive, où aucune particule extérieure n’est nécessaire.
Histoire de la transmutation nucléaire
Le terme de transmutation remonte à l’alchimie. Les alchimistes poursuivaient la pierre philosophale, capable de transformer les métaux vils en or. L’impossibilité de la transmutation métallique était débattue entre alchimistes, philosophes et scientifiques depuis le Moyen Âge. Au 18e siècle, Antoine Lavoisier a remplacé la théorie alchimique des éléments par la théorie moderne des éléments chimiques, et plus tard, John Dalton a développé la notion d’atomes pour expliquer divers processus chimiques. La désintégration des atomes est un processus distinct impliquant des énergies bien plus importantes que celles que pouvaient atteindre les alchimistes.
La transmutation nucléaire a été appliquée pour la première fois consciemment à la physique moderne par Frederick Soddy lorsqu’il a découvert, avec Ernest Rutherford, que le thorium radioactif se transformait lui-même en radium en 1901. Au moment où il s’en est rendu compte, se rappellera plus tard Soddy, il s’est écrié : « Rutherford, c’est de la transmutation ! » Rutherford réplique : « Pour l’amour du ciel, Soddy, ne l’appelez pas transmutation. Ils nous feraient décapiter comme alchimistes. »
Accélérateurs de particules
Il existe deux classes de base d’accélérateurs : les accélérateurs électrostatiques et les accélérateurs à champ oscillant. Les accélérateurs électrostatiques utilisent des champs électriques statiques pour accélérer les particules. Un exemple à petite échelle de cette classe est le tube cathodique d’un vieux téléviseur ordinaire. D’autres exemples sont le générateur de Cockcroft-Walton et le générateur de Van de Graaf. L’énergie cinétique que peuvent atteindre les particules dans ces dispositifs est limitée par la panne électrique. Les accélérateurs à champ oscillant, en revanche, utilisent des champs électromagnétiques de radiofréquence pour contourner le problème du claquage. Cette catégorie, dont le développement a commencé dans les années 1920, est à la base de tous les concepts d’accélérateurs modernes et des installations à grande échelle. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Donald Kerst et Ernest Lawrence sont considérés comme les pionniers du domaine, concevant et construisant le premier accélérateur de particules linéaire opérationnel, le bétatron et le cyclotron.
Puisque les collisionneurs peuvent donner des preuves sur la structure du monde subatomique, les accélérateurs étaient communément appelés briseurs d’atomes au 20e siècle. Malgré le fait que la plupart des accélérateurs (à l’exception des installations ioniques) propulsent en fait des particules subatomiques, le terme persiste dans l’usage populaire lorsqu’il s’agit des accélérateurs de particules en général.
Laboratoire national d’accélération de Fermi : Photo aérienne du Tevatron au Fermilab, qui ressemble à un chiffre huit. L’accélérateur principal est l’anneau du dessus ; celui du dessous (environ la moitié du diamètre, malgré les apparences) sert à l’accélération préliminaire, au refroidissement et au stockage des faisceaux, etc.
Prévoir les produits de la transmutation, c’est comme prévoir les produits de la désintégration radioactive. Il est important de s’assurer que la masse atomique totale et les nombres atomiques des deux côtés de l’équation restent égaux.
Les produits de la transmutation sont les produits de la désintégration radioactive.