Pincipes de la radioactivité

a radioactivité naturelle :

 

Existence d’isotopes radioactifs dans la nature:

Tout d’abord, deux atomes isotopes sont deux atomes qui ont le même nombre de protons dans le noyau, mais pas le même nombre de neutrons. Ainsi, ces deux atomes appartiennent au même élement chimique, mais avec un nombre de nucléons (neutrons+protons) différent. Un atome radioactif est donc un des isotopes de l’élément chimique en question. Il est alors appelé radio-isotope. La radioactivité naturelle correspond à la désintégration spontanée de ces radio-isotopes naturellement présents dans notre environnement, du fait de l'instabilité de leur noyau.

Par exemple, un morceau de graphite (élement C, 6 protons) est composé de 3 isotopes dont voici l'abondance de la nature:

Carbone 12 : 98,9% du graphite

Carbone 13 : 1,1% du graphite

Carbone 14 : traces

Parmi ces isotopes, seul le Carbone 14 est radioactif et se désintègre spontanément.

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Un autre exemple : le Radium: Il  possède 4 isotopes instables 223Ra, 224Ra, 226Ra et 228Ra, présents dans la nature.(Le plus commun reste le 223Ra)

eq radium 226 excite.gif (désintegration alpha)

Autre exemple :l’Uranium possède 3 isotopes naturels tous radioactifs : 238U ; 235U et 234U.(Le 235U est utilisé pour produire de l'énergie dans les centrales nucléaires)

fission-5.gif (désintégration alpha)

A quoi est due la radioactivité naturelle ? Qu'est ce que l'instabilité?


La stabilité des noyaux est due à une compétition entre l'interaction forte, à cause de laquelle les nucléons s'attirent, et de l'interaction électromagnétique qui agit entre les protons: il y a une attraction. Selon ce principe, un noyau qui comporte trop de nucléon du même type est instable. Dans les petits noyaux, il y a souvent une symétrie: il y a autant de protons que de neutrons dans les noyaux stables.Un noyau peut être instable pour trois raisons:

- s'il possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons

- s'il possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons

- s'il possède trop de protons et trop de neutrons

En conclusion, un noyau est instable s'il possède trop de neutrons, trop de protons ou trop de nucléons.

Exemple: le carbone 14 est radioactif car il possède 8 neutrons pour seulement 6 protons.

Le carbone 12 est stable car il possède 6 protons et 6 neutrons.

Le radium 226 est instable car il possède trop de nucléons.

L'uranium 235 est instable car il possède trop de nucléons

Quel est le mécanisme de désintégration ?

La désintégration a lieu par fission nucléaire du noyau instable. Pour parvenir à sa stabilisation, le noyau émet des particules (positons, électrons, noyaux d’héliums), dans le but d’alléger le noyau en charges . Cette désintégration s’accompagne souvent d’un rayonnement type γ . Ces particules émises ayant une masse et étant très rapides, elles sont porteuse d’une énergie, d’après la relation d’Einstein, e=mc²(e l'énergie en Joules; m la masse de la particule en kilogrammes; c la vitesse de la lumière en mètres par seconde)

Une désintégration radioactive est donc accompagnée d’émission d’énergie. 

Les gros noyaux, qui pour devenir plus légers émettent des noyaux d’héliums. (Il s’avère qu’émettre des noyaux d’héliums est plus économique qu’émettre des protons ou des neutrons de manières isolées.) C’est l’émission d’une particule alpha. Cette émission peut produire jusqu’à 4 million d’électronvolts, mais est arrêtée par une simple feuille de papier.

L’exemple du radium 226 :

            

 

La radioactivité bêta est rendue possible par la présence d’une intéraction faible. C’est une force qui peut expulser une particule à cause de l’instabilité du noyau. Le nombre de nucléon reste le même mais un positron, ou positon (charge +, dans le cas de bêta +) ou un électron (charge -, dans le cas de bêta -) est émis. Ce sont des particules chargées , mais qui ne comptent pas comme un nucléon. En effet, cette émission peut se résumer à la transformation d’un neutron en proton dans le cas de beta – et d’un proton en neutron dans le cas de beta +. Généralement, l’émission d’une particule bêta produit de l’énergie inférieure au MeV, la particule beta est arrêtée par une feuille d’aluminium.

L’exemple du Cobalt 60 , (beta -):

            

La radioactivité gamma accompagne très souvent une radioactivité bêta ou alpha, mais peut aussi accompagner la capture d’un électron par un noyau. En effet, après ces événements, le noyau est quelquefois rendu excité, c'est-à-dire que le noyau contient un supplément d’énergie en plus de son état fondamental, ce qui le rend instable. Le photon gamma est émis suite à une désexcitation d’un noyau Le noyau, en se stabilisant à son état fondamental, perd l’énergie qu’il avait en trop, et émet des photons gammas. Cette désexcitation est presque toujours immédiate. Elle peut exceptionnellement se produire en retard, comme dans le technétium99(élement chimique), qui prend plusieurs heures à se remettre en position fondamentale .Le rayonnement électromagnétique produit (rayon gamma) n’émet quasiment pas d’énergie, mais est arrêtée seulement par du béton.

           

            

La période radioactive (ou demi-vie) est la durée pendant laquelle la moitié des noyaux d’une même espèce se désintègre, c'est-à-dire la période durant laquelle, si on prend 20 noyaux, 10 noyaux se désintègrent (et se transforment en un autre noyau, après une radioactivité beta ou alpha). Cette période est différente pour chaque noyaux radioactifs, et elle peut varier du centième de seconde au milliard d’année.  

            

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