Calcium 48

Le calcium 48, noté ⁴⁸Ca, est l'isotope du calcium dont le nombre de masse est égal à 48 : son noyau comporte 20 protons et 28 neutrons avec un spin 0+, pour une masse atomique de 47,952 534 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de −44 224,868 ± 0,018 keV et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de 8 667 keV[1]. Un gramme de calcium 48 pur a une activité de 6,42 × 10⁻⁶ Bq.

Calcium 48

table

Général
Nom	Calcium 48
Symbole	48 20Ca 28
Neutrons	28
Protons	20

Données physiques
Présence naturelle	0,187 ± 0,021 %[1]
Demi-vie	1,9+4,5 −0,8 × 10¹⁹ années[1]
Produit de désintégration	⁴⁸Ti
Masse atomique	47.952522654(19) u
Spin	0+
Excès d'énergie	−44 224,868 ± 0,018 keV[1]
Énergie de liaison par nucléon	8 667 ± 0 keV[1]

Désintégration radioactive
Désintégration	Produit	Énergie (MeV)
2 β⁻	48 22Ti	4,27

Le calcium 48 représente une fraction molaire de 0,187 % du calcium naturel[2].

Stabilité

Bien que très riche en neutrons pour un atome léger, le noyau du calcium 48 est quasiment stable : sa période radioactive est estimée de l'ordre de 1,9+4,5
−0,8 × 10¹⁹[1] à 4,3+2,4
−1,1 × 10¹⁹ années[3], c'est-à-dire près de trois milliards de fois l'âge de l'univers. Cette stabilité est généralement expliquée par le fait que cet isotope est doublement magique, c'est-à-dire constitué à la fois d'un nombre magique de protons et d'un nombre magique de neutrons. Le calcium 48 est l'isotope le plus léger connaissant une double désintégration bêta, processus radioactif extrêmement rare au cours duquel deux neutrons émettent deux électrons et deux antineutrinos électroniques pour donner deux protons et convertir le calcium en titane :

48
20Ca ⟶ 48
22Ti + 2 e⁻ + 2

ν

_e.

Le ⁴⁸Ti est d'ailleurs l'isotope du titane le plus abondant dans le milieu naturel.

Applications

Le calcium 48 a un grand intérêt pratique en physique nucléaire comme ion stable et riche en neutrons susceptible d'être accéléré aussi bien pour produire d'autres atomes légers riches en neutrons par fragmentation[4] que pour percuter une cible de transuranien en vue de réaliser une fusion nucléaire aboutissant à la création d'éléments superlourds, qui sont plus riches en neutrons que les éléments plus légers à partir desquels on les synthétise ; les éléments 114 et 116 ont été synthétisés avec des ions de calcium 48 sur des cibles de plutonium 244 et de curium 248 respectivement ; la synthèse de l'élément 118 (oganesson) au JINR a quant à elle été réalisée à partir d'une cible en californium 249 percutée par des ions de calcium 48[5] :

48
20Ca + 249
98Cf ⟶ 297
118Og* ⟶ 294
118Og + 3 1
0n.

Du point de vue théorique, le calcium 48 libère davantage d'énergie (4,27 MeV) par double désintégration bêta que tout autre nucléide, et est un bon sujet d'études pour détecter une double désintégration β sans émission de neutrino, vérifiant l'équation de Majorana : le neutrino serait alors son antiparticule, d'où l'annihilation des neutrinos émis par double désintégration β dans ces conditions, neutrinos qui ne sont alors pas observés.

Notes et références

(en) « Live Chart of Nuclides: 48
20Ca
28 », sur https://www-nds.iaea.org/, AIEA, 31 mars 2004 (consulté le 6 août 2021).
J. S. Coursey, D. J. Schwab et R. A. Dragoset, « Atomic Weights and Isotopic Compositions », NIST Physical Reference Data, février 2005 (consulté le 27 octobre 2006).
(en) A. Balysh, A. De Silva, V. I. Lebedev, K. Lou, M. K. Moe, M. A. Nelson, A. Piepke, A. Pronskiy, M. A. Vient et P. Vogel, « Double Beta Decay of ⁴⁸Ca », Physical Review Letters, vol. 77, n^o 26,‎ 23 décembre 1996, p. 5186-5189 (PMID 10062737, DOI 10.1103/PhysRevLett.77.5186, Bibcode 1996PhRvL..77.5186B, arXiv nucl-ex/9608001, lire en ligne)
(en) M. Notani, H. Sakurai, N. Aoi, Y. Yanagisawa, A. Saito, N. Imai, T. Gomi, M. Miura, S. Michimasa, H. Iwasaki, N. Fukuda, M. Ishihara, T. Kubo, S. Kubono, H. Kumagai, S. M. Lukyanov, T. Motobayashi, T. K. Onishi, Yu. E. Penionzhkevich, S. Shimoura, T. Teranishi, K. Ue, V. Ugryumov et A. Yoshida, « New neutron-rich isotopes, ³⁴Ne, ³⁷Na and ⁴³Si, produced by fragmentation of a 64 A MeV ⁴⁸Ca beam », Physics Letters B, vol. 542, n^os 1-2,‎ 22 août 2002, p. 49-54 (DOI 10.1016/S0370-2693(02)02337-7, Bibcode 2002PhLB..542...49N, lire en ligne)
(en) Yu. Ts. Oganessian et al., « Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the ²⁴⁹Cf and ²⁴⁵Cm+⁴⁸Ca fusion reactions », Physical Review C, vol. 74, n^o 4,‎ octobre 2006, article n^o 044602 (DOI 10.1103/PhysRevC.74.044602, lire en ligne)

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