Radioactivité : notions de base

Notions de base

La matière est constituée d'atomes.
Chaque atome est formé d’un noyau autour duquel gravite un nuage d’électrons.
Si on arrache (ou ajoute) un ou plusieurs électrons, on obtient un corps chargé négativement (ou positivement). On l'appelle alors un ion.
Le noyau est formé de protons et de neutrons. On appelle nucléon, les particules du noyau. Il est caractérisé par 2 nombres A et Z.

A
X
Z

A (nombre de charges) représente le nombre total de nucléons.
Z (numéro atomique) indique le nombre de protons (et donc d'électrons) et permet d'identifier l'atome.
X symbole chimique de l'élément
Exemple : le carbone (Z=6)

Généralement, le numéro atomique 6 et la lettre C sont redondants et on simplifiera par ¹⁴C.
Deux noyaux qui ont le même nombre de charges peuvent avoir un nombre de neutrons différents : ce sont des isotopes. Dans la nature on trouve du ¹²C et du ¹⁴C.

La radioactivité est un phénomène qui fait suite à une transformation du noyau. On observe plusieurs types de rayonnements émis:
Le rayonnement alpha :
Il ne concerne que les noyaux lourds (A>200). C'est une particule composée de 2 protons et de 2 neutrons. C'est donc une particule lourde, peu pénétrante et une simple feuille de papier l'arrête.

La radioactivité alpha (ou rayonnement alpha, symbolisé α) est une forme de désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha et se transforme en un noyau de nombre de masse diminué de 4 et de numéro atomique diminué de 2.

Par exemple, la réaction : ${}^{238}\hbox{U}\;\to\;^{234}\hbox{Th}\;+\;\alpha.$

peut être précisée sous la forme : ${}^2{}^{38}_{92}\hbox{U}\;\to\;{}^2{}^{34}_{90}\hbox{Th}\;+\;{}^4_2\hbox{He},$

En effet la particule alpha est un noyau d'hélium et la désintégration conserve bien le nombre total de nucléons et la charge électrique totale.

La désintégration alpha peut être vue comme une forme de fission nucléaire où le noyau père se scinde en deux noyaux fils.

Au niveau énergétique, la désintégration α présente un spectre de raie.

Les particules α montrent très généralement une énergie cinétique faible (par rapport à l'énergie de masse de la particule α), valeurs inférieures à 10 MeV : elles sont donc non relativistes. Ce fait, associé à leur caractéristique de particules chargées (Z=2), leur confère une pénétration faible (quelques centimètres dans l'air).

Il est vite apparu un lien remarquable entre l'énergie disponible de la réaction (pratiquement, l'énergie cinétique de la particule α) et la période du noyau père : les périodes sont d'autant plus grandes que l'énergie disponible est petite.
Un élément radioactif qui se désintègre avec émission de rayons a , a engendré un élément qui a rétrogradé de deux places dans la classification périodique. Sa masse atomique est inférieure de quatre unités à celle de l'élément générateur.

Le rayonnement bêta :
C'est une particule, électron (ß-) ou positron (ß+) animé d'une grande vitesse qui résulte de la transformation d'un neutron en proton ou d'un proton en neutron.
    ou
Un élément radioactif qui se désintègre avec émission de rayons ß^- engendre un élément qui a avancé d'une place dans la classification périodique. Sa masse atomique est égale à celle de l'élément générateur.
Exemple : ²²Na -> ²²Ne +ß⁺      ou      ³H -> ³He +ß^-

La radioactivité bêta ou émission bêta (symbole β) est un type de désintégration radioactive dans laquelle une particule bêta (un électron ou un positron) est émise. On parle de désintégration bêta moins (β^-) ou bêta plus (β⁺) selon que c'est un électron (particule chargée négativement) ou un positron (particule chargée positivement) qui est émis.

Dans la désintégration β^-, un neutron est converti en proton par l'intermédiaire de la force nucléaire faible et une particule β^- (un électron) et un anti-neutrino sont émis:

$\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e$

Le spectre d'énergie [nombre de particules émises en fonction de leur énergie cinétique ] des β^- (électrons) est continu du au partage de l'énergie entre les trois corps. Il n'y pas pas d'énergie minimale.

La réaction est énergiquement possible à la seule condition que le noyau fils soit moins lourd que le noyau père.

Dans la désintégration β⁺, un proton est converti en neutron par l'intermédiaire de la force nucléaire faible et une particule β⁺ (un positron) et un neutrino sont émis:

$\mathrm{p}\rightarrow\mathrm{n}+\mathrm{e}^++{\nu}_e$

Le spectre d'énergie [nombre de particules émises en fonction de leur énergie cinétique] des β⁺ (positrons) est continu du au partage de l'énergie entre les trois corps. Nous remarquons cependant une vitesse minimale des positrons.

Cette réaction ne peut avoir lieu que si la masse du noyau fils additionnée de deux fois la masse de l'électron est inférieure à celle du noyau père.

L'étude de la désintégration bêta amena à postuler l'existence du neutrino.

Voici ce que permet d'expliquer la présence du neutrino :
- Le spectre d'énergie d'émission des particules bêta est continu. Ceci s'explique facilement si l'énergie se partage entre trois corps.
- La quantité de mouvement doit être conservée, or du fait d'un système à trois corps, la particule bêta ne part pas de façon opposée au noyau.
Le rayonnement gamma :
C'est un rayonnement électromagnétique analogue à la lumière (souvent appelé photons gamma). Il suit une désintégration a ou ß et correspond à un réarrangement des nucléons dans le noyau. C'est une particule sans masse donc très pénétrante.

Les rayons gamma, symbolisés par la lettre grecque γ, sont une forme de rayonnement électromagnétique de haute énergie. Ils possèdent une longueur d'onde très courte inférieure à 5 nanomètres.

Les rayons gamma sont plus pénétrants que les rayonnements alpha et les bêta, mais sont moins ionisants. Ils sont de même nature que les rayons X mais sont d'origine différente. Les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires tandis que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision d'un atome avec un électron à haute vitesse. Comme il est possible pour certaines transitions électroniques d'être plus énergétiques que des transitions nucléaires, il existe un certain chevauchement entre les rayons X de haute énergie et les rayons gamma de faible énergie.

Le blindage contre les rayons gamma requiert des grandes quantités de matière. Par exemple un blindage qui réduit de 50% l'intensité des rayons gamma nécessite 1 cm de plomb, 6 cm de béton ou 9 cm de terre.

La capture électronique :
Le noyau de l'atome capte un de ses propres électrons qui va se combiner avec un proton pour donner un neutron. On remarque qu'il n'y a pas de particule chargée émise.
^A_ZX -> ^A_Z-1Y

Le rayonnement X :
Souvent après une capture électronique ou une excitation, un réarrangement électronique s'opère et s'accompagne de l'émission d'un rayonnement électromagnétique X.
Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence. L'énergie de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV. La distinction entre les rayons X des rayons gamma (qui sont de même nature et d'énergie semblable) vient de leur mode de production : les rayons X sont des photons produits par les électrons des atomes alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux des atomes.
Phénomènes de base:
On constate que la radioactivité est un phénomène instantané qui obéit aux lois de la statistique. C'est à dire que si à l'instant t une substance contient n atomes, alors pendant le temps d_t, d_n atomes se désintègrent:
d_n=-λ n d_{t
(- indique la disparition d'atomes et λ = constante de
radioactivité)}Période T (ou demi-vie) : C'est le temps au bout duquel le nombre de particules a diminué de moitié :
n_t = ½ n_o = n_o e^-λtd'où T = Log (2) / λ

Activité : On mesure le nombre de particules qui sont émises, soit le nombre de désintégrations par seconde.
A = - d_n/d_t = λ n L'unité d'activité est le becquerel (Bq).
On peut en déduire que la masse d'un corps qui a une activité de 1Bq est d'autant plus faible que la période est plus courte.

Energie : Le Joule est trop grand, on utilise l'électron-volt qui est la vitesse d'un électron sous 1 Volt. 1eV = 1,602E^-19 J
Un électron au repos a une énergie de 0,511 MeV.

Radioactivité naturelle:Il existe 4 séries radioactives naturelles (Thorium, Neptunium, Uranium et Actinium).


Famille du Thorium = 4N	Famille de l'Uranium = 4N+2

Famille de l'Actinium = 4N+3	Famille du Neptunium = 4N+1

Si on a un nombre de masse égal à 4 fois un nombre entier, alors on est dans la série du thorium.
Si on a un nombre de masse égal à 4 fois un nombre entier+1, alors on est dans la série du neptunium.

Détection des rayonnements:
On ne peut détecter ces rayonnements donc déceler la radioactivité qu'en utilisant deux des types d'interaction entre les rayonnements ionisants et la matière : l'ionisation et l'excitation.

Quel que soit le mode de fonctionnement d'un détecteur et donc le principe sur lequel s'appuie la détection des rayonnements, il est toujours constitué des mêmes éléments:
- un détecteur au niveau duquel le rayonnement interagit avec la matière du capteur,
- une alimentation électrique pour que le détecteur puisse fonctionner ,
- un système d'amplification qui met en forme et amplifie le signal produit par la sonde
- un codeur qui traite le signal ,
- un système d'affichage qui indique :
  1. un flux de particules : le compteur ,
  2. l'énergie des particules : le spectromètre ,
  3. le débit de dose absorbée : le débitmètre.

Cette page a été mise à jour le 02/11/2021