Principes de la physique nucléaire/Radioactivité

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Historique : Le terme radioactivité, fut inventé vers 1898 par Pierre Curie, et décrit le phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transformer en des noyaux atomiques plus stables.

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Origines de la radioactivité

• La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908), lors de ses travaux sur la phosphorescence : les matières phosphorescentes émettent de la lumière dans le noir après expositions à la lumière, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les tubes cathodiques exposés aux rayons X pouvait être liée au phénomène de phosphorescence. Son expérience consistait à sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet en contact avec différents matériaux phosphorescents.

Tous ses résultats d'expérience furent négatifs, à l'exception de ceux mettant en cause des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la plaque photographique à travers la couche de papier. Cependant, il apparut bientôt que l'impression de l'émulsion photographique n'avait rien à voir avec le phénomène de phosphorescence, car l'impression se faisait même lorsque l'uranium n'avait pas été exposé à la lumière au préalable. Par ailleurs, tous les composés d'uranium impressionnaient la plaque, y compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium métallique.

• Des études ultérieures menées par Becquerel lui-même, ainsi que par Marie Curie-Skłodowska (1867-1934) qui, sur le conseil de son mari Pierre Curie (1859-1906), fit de la radioactivité le sujet de sa thèse de doctorat, ou encore par Ernest Rutherford (1871-1937) et d'autres hors de la France, montraient que la radioactivité est nettement plus complexe que le rayonnement X.

La radioactivité

Définition de la radioactivité

la radioactivité est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements.

Unité légale : le Becquerel (Bq) correspondant à une activité d'une désintégration par seconde

Unité usuelle : les sous-multiples du Curie (Ci), notamment le milliCurie (mCi) (1 mCi = 37 MBq)

$\rightarrow$ pour plus d'information voir le paragraphe sur la mesure de radioactivité

Remarque : Parmi les quelques 325 noyaux recensés, 51 ont tendance à se modifier spontanément en éjectant une ou plusieurs particules. On dit qu’ils sont instables, par opposition aux 274 noyaux stables qui ne subissent aucune déformation. On appelle radioactivité ces émissions de particules.

Les rayonnements

Description des radioactivités α, β et des rayonnements associés α, β et γ

Radioactivité alpha (α)

Définition de la radioactivité α

La radioactivité alpha (symbolisé α) est une forme de désintégration radioactive où un noyau atomique $X$, éjecte une particule alpha et se transforme en un noyau $Y$, de nombre de masse diminué de 4 et de numéro atomique diminué de 2. La particule alpha traverse à grande vitesse le cortège électronique de l' atome et interagit avec les atomes voisins en se chargeant électriquement et se transformant en atome d'hélium

Début de l'exemple

Application de la définition pour la radioactivité α

${}_{Z}^{A}X\to {}_{Z-2}^{A-4}Y+\alpha$
En équilibrant la réaction, on en déduit que la particule alpha émise est un noyau d'hélium : ${}_{Z}^{A}X\to {}_{Z-2}^{A-4}Y+{}_{2}^{4}He$

$\alpha ={}_{2}^{4}He$

Fin de l'exemple

Rayonnement alpha (α)

Définition du rayonnement α

Le rayonnement alpha (symbolisé α) est constitué par le flux des noyaux d' hélium émis par les noyaux des atomes radioactifs α

Radioactivité bêta (β)

Liminaire : La radioactivité bêta (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-) lorsque un électron (particule chargée négativement) est émis, ou bêta plus (β+) lorsque un positron (particule chargée positivement) est émis.

1. Radioactivité bêta moins (β-):

Définition de la radioactivité bêta moins (β-)

La radioactivité bêta moins (β-) affecte les nucléides présentant un excès de neutrons. Un neutron est converti en proton, le phénomène s'accompagne de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et d'un antineutrino :

$n~\rightarrow ~p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

L' électron émis à grande vitesse par le noyau traverse le cortège électronique et va interagir avec les autres atomes voisins

Début de l'exemple

Exemple d’une réaction β^- avec l’isotope radioactif cobalt 60 (⁶⁰Co)

le cobalt 60 (⁶⁰Co) instable se transforme en nickel 60 (⁶⁰Ni⁺) stable

${}^{60}{\hbox{Co}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni}}^{+}\;+\;e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

Fin de l'exemple

2. Radioactivité (β+) :

Définition de la radioactivité (β+)

La radioactivité bêta plus (β+) concerne les nucléides qui présentent un excès de protons. Un proton est converti en neutron, le phénomène s'accompagne de l'émission d'un positron (ou particule bêta plus) et un neutrino :

$p~\rightarrow ~n+e^{+}+{\nu }_{e}$

Le positon émis par le noyau entre rapidement en interaction avec un électron du cortège électronique de l' atome. Il disparait alors et se transforme en énergie électromagnétique, soit un rayonnement gamma d'énergie 511 keV valeur exactement égale à l'équivalent masse de la masse de l'électron suivant la relation E = m•c². Il n' y a donc pas à proprement parler de rayonnement β+ extérieur à l' atome concerné. Le neutrino continue sa route à travers la matière sans interagir avec elle.

Début de l'exemple

Exemple d’une réaction β⁺

Le fluor se transforme en oxygène : ${}^{18}{\hbox{F}}\;\to \;^{18}{\hbox{O}}\;+\;\mathrm {e} ^{+}+{\nu }_{e}$

Fin de l'exemple

Rayonnement bêta (β)

Définition du rayonnement bêta β

Le rayonnement bêta β est constitué par le flux des électrons émis par les noyaux des atomes radioactifs bêta moins (β-).

Rayonnement gamma (γ)

Définition du rayonnement γ

Les rayonnements γ sont souvent produits en même temps que les rayonnements α et β. Quand un noyau émet une particule alpha ou bêta, il se retrouve souvent dans un état excité (instable). Il peut alors revenir vers un état stable en émettant un rayon gamma.

Remarque : Il n' y a pas de "radioactivité gamma". Il y a des "rayons gammas" émis par les atomes radioactifs

Propriétés pénétratives des rayonnements

Par leur énergie, les rayonnements (dit ionisants) sont pénétrants, c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Le pouvoir de pénétration dépend du type de rayonnement et du pouvoir d'arrêt de la matière. Cela définit des épaisseurs différentes de matériaux pour se protéger.

Rayonnement α : est arrêté par une feuille de papier Rayonnement β : est arrêté par une feuille d'aluminium Rayonnement γ : est arrêté par de grandes épaisseurs de matériaux denses, comme le plomb

Mesure de radioactivité

Récapitulatif des différentes mesures

• l'activité : Becquerels (Bq)

qui correspond au nombre de désintégrations en 1 seconde

• Le curie (Ci)

il se définit comme l'activité d'un gramme de radium, soit $37\times 10^{9}$ désintégrations par seconde, soit 37 Bq = 1 nCi (nano Curie)

• La dose absorbée : Gray (Gy)

la dose absorbée par la cible est définie comme l'énergie reçue par unité de masse, en joules par kilogramme, c'est-à-dire en Gray. Cette unité est utilisée pour les rayonnements ionisants. L'ancienne unité était le rad (1 Gy = 100 rad)

• le débit de dose : Gray par Seconde (Gy/s)

on définit le débit de dose lors d'une exposition durable, cela correspond à l'énergie absorbée par kilogramme et par unité de temps.

• l'équivalent de dose : Sievert (Sv)

l'équivalent de dose s’apparente "à l'effet produit" (par rapport à la nature, force, ..., du rayonnement) par une exposition à des rayonnements.

• Correspondances :

1 Ci = 3,7 10$^{10}$Bq

1 Bq = 0,027 nCi

1 rad = 0,01 Gy = 10 mGy

1 Gy = 100 rad

Info : La radioactivité fait partie de notre environnement et existe depuis la formation du monde. Contrairement à une opinion répandue, elle n'a pas été inventée par l'homme. Celui-ci a toujours été soumis à un certain niveau de rayonnements naturels, auxquels son organisme est accoutumé :

Début de l'exemple

Exemple d'irradiation naturelle et artificielle

• Rayonnement du corps humain : $0.00025\times 10^{-5}$ Sv
• Rayons cosmiques : $0.5$ mSv/an
• Matériaux terrestres : $0.5$ mSv/an
• Examen radiologique : $0.5$ mSv/an
• Cadran lumineux de montre : $0.02$ mSv/an
• Centrale nucléaire : $0.01$ mSv/an

Fin de l'exemple