2. La définition et l'explication du phénomène

 

http://energies2demain.com/upload/mss/schema_atome.png

 

Un atome est composé d'un noyau et d'électrons qui gravitent autour de lui. Le noyau est lui-même composé de nucléons : neutrons et protons.

Ces nucléons sont liés entre eux par l'interaction forte. C'est cette interaction qui permet la cohésion du noyau.

Or lorsque le nombre de nucléons est trop élevé, l'interaction forte est trop faible pour permettre une cohésion du noyau. Ces éléments contenant un nombre de nucléons trop important sont instables et radioactifs.

La radioactivité est donc un phénomène physique naturel au cours duquel les noyaux d'éléments instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements ionisants divers, pour se transformer en des noyaux atomiques plus stables. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, rayons α, rayons β ou rayons γ. Les différentes émissions de rayons définissent également différentes types de radioactivité (α , β ...).


Nous allons donc nous intéresser à ces différents types de rayonnements ionisants.

 

3. Les différentes formes de radioactivité et leurs émissions


La radioactivité α résulte du fait que certains noyaux possédent un excès de protons et de neutrons. Elle concerne donc des noyaux « lourds » qui éjectent leurs nucléons en excès sous forme de noyaux d’hélium constitués de deux protons et de deux neutrons. De la désintégration d’un noyau père nait un noyau fils, correspondant à un autre élément chimique. Par exemple lorsque le noyau d’uranium 238 éjecte une particule α, il se transforme en un noyau de thorium 234.

Exemple du noyau d’uranium 238 :

 

http://www.acro.eu.org/alpha.gif

 

L’expulsion des nucléons excédentaires sous forme de particules α est la plus favorable du point de vue de l’énergie.

 

Les noyaux radioactifs β- sont des noyaux dotés d’un excès de neutrons, qu’ils transforment en protons par émission d’un électron et d’une petite particule neutre, de masse infiniment petite, l’antineutrino électronique.

Par exemple : le thorium 234 donne du protactinium 234 puis de l’uranium 234 par deux désintégrations successives.

La radioactivité β+ concerne des noyaux possédant un surplus de protons, qu’ils transforment en neutrons par émission d’un positon ou positron, sorte d’électron positif, et d’un neutrino électronique, homologue de l’antineutrino, noté ν.

 

http://images.encarta.msn.com/xrefmedia/fencmed/targets/illus/ilt/T045707a.gif

 

La radioactivité γ existe rarement en tant que telle. Elle accompagne les précédentes dans le cas où le noyau fils, émis avec une énergie supérieure à la normale, évacue ce trop plein d’énergie sous la forme de rayonnement électromagnétique.


Le rayonnement α est arrêté par une simple feuille de papier, le rayonnement β est arrêté par une feuille d’aluminium tandis que le rayonnement γ est arrêté par de grandes épaisseurs de matériaux denses, comme le plomb.

 

http://tpe.radioactivite.free.fr/frame_sets/fr-le_nucleaire.htm

 

4. La stabilité du noyau

 

La stabilité d'un noyau résulte comme dit précédemment de l'équilibre entre protons et neutrons dans le noyau et donc de l'interaction forte.

Les noyaux stables occupent dans le diagramme du nombre de neutrons en fonction du nombre de protons, une région, qu'on appelle « vallée de la stabilité ». Les autres noyaux, qui sont radioactifs, évoluent et donc se désintègrent de manière à rejoindre celle-ci.

 

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vall%C3%A9e_de_stabilit%C3%A9

 

5. La loi de désintégration radioactive

Tout d'abord il faut noter que le noyau radioactif reste identique à lui-même jusqu’à sa désintégration, dont l’instant est imprévisible. La radioactivité est un phénomène aléatoire qui autorise uniquement des prévisions statistiques, effectuées sur un grand nombre de noyaux.

On s'intéresse donc à un échantillon de matière radioactif comportant un très grand nombre de noyaux.

A l'instant t on a N(t) noyaux radioactifs.

Après une durée Δt il reste N(t + Δt). On note N(t + Δt) = N(t)+ ΔN(t)

( ΔN(t) est la variation du nombre de noyaux )

La mesure montre alors que le nombre de noyaux diminue, donc ΔN(t) est négatif. On remarque également que ΔN(t) est proportionnel à N(t) et à Δt ; plus il y a de noyaux au départ, plus il y en aura qui se désintégreront et plus on laisse passer de temps, plus il y aura de noyaux qui se seront désintégrés.

On peut donc écrire : ΔN(t) = - λ x N(t) x Δt

λ correspond à la constante radioactive, elle propre au type de noyau qui se désintègre.


Lorsque Δt tend vers 0, mathématiquement on peut alors écrire : dN(t) = - λ x N(t) x dt.

Après résolution de l'équation on trouve :

N(t) = N(0) x e^(−λt)

N(0) est le nombre de noyaux a t = 0.


Quand il reste la moitié des noyaux, c'est à dire à l'instant T, l'équation devient :

N(0) /2 = N(0) x e ^( − λT )

T est la demi-vie ou période radioactive de l'échantillon radioactif.


C’est Rutherford qui fut le premier à mettre en évidence cette durée de vie caractéristique de chaque radionucléide, la demi-vie. La demi-vie correspond à la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs d’un échantillon se sont désintégrés.

Elle ne dépend ni du nombre de noyaux au départ, ni des combinaisons chimiques dans lesquelles entrent les différents noyaux, ni de l’environnement. Rien ne peut la modifier. Au bout de deux demi-vies, subsisteront en moyenne un quart des noyaux initiaux, au bout de trois demi-vies un huitième et ainsi de suite.

La loi traduisant l’évolution au cours du temps du nombre de noyaux restants est une loi de type exponentiel, c'est la loi de désintégration radioactive, expliquée plus haut. Elle exclut donc tout raisonnement de proportionnalité : deux demi-vies ne correspondent donc pas à une vie !

 

http://noelc.free.fr/images/periode_radioactive.bmp

 

Quelques exemples de période radioactives :

Période de l'uranium 235 = 710 millions d'années

Période de l'uranium 237 = 4,5 milliards d'années

Période du plutonium 239 = 24 milliers d'années

Période du carbone 14 = 5,7 milliers d'années

Ces différentes périodes de différents isotopes radioactifs montrent clairement l'immensité de temps qu'il faut pour que une source radioactive disparaisse presque complétement.

 

6. Une famille radioactive, l'exemple de la famille de l'uranium 238

Une famille radioactive correspond à l'ensemble des noyaux qui sont issus d'un même radio-isotope. Ce radio-isotope en se désintégrant donne un noyau fils qui à son tour peut se désintégrer, et ainsi de suite jusqu'à arriver à un noyau stable. Il n'y a que trois familles, celles de l'uranium 235, du thorium 232 et de l'uranium 238, qui ont subsisté depuis la création de l'univers car leurs chefs de file ont des demi-vies comparables à l'âge de l'Univers.

http://hiroshimabomb.free.fr/desintegration.jpg

 

7. Mesures de la radioactivité

Tout d'abord l'activité d'un échantillon est une des mesures les plus utilisées. L'activité correspond au nombre de désintégrations par unité de temps. Elle se mesure en becquerels ( Bq ), en hommage à Henri Becquerel.

L'activité massique est aussi utilisée, elle découle de l'activité, ainsi on mesure l'activité rapportée à la masse ou au volume de l'échantillon étudié.

Il existe d'autres mesures comme la dose absorbée et la dose équivalente.

La dose absorbée correspond à l'énergie reçue par un corps exposé à une source de rayonnements. Elle s'exprime en Grays (Gy).

La dose équivalente tient quant à elle compte de la nocivité des rayonnements sur un corps. Elle mesure donc les effets dits biologiques des rayonnements. Cette dose équivalente se mesure en Sievert (Sv). Elle dépend donc de plusieurs facteurs : la dose reçue, le type de rayonnement et la durée d'exposition.

Les effets de la radioactivité naturelle sur un corps humain sont de l'ordre du Milli-Sievert (mSv) par an.