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Leçon n° 9 : RADIOACTIVITE NATURELLE ET ARTIFICIELLE

 

Cette leçon comporte trois paragraphes.

 
1- RETOUR SUR LA COMPOSITION D'UN ATOME

 
Dans les leçons précédentes nous avons déjà vu qu'un atome est constitué d'un noyau central et d'un nuage électronique.


1-1 Composition du noyau

·De façon générale le noyau d'un atome correspondant à un élément X constitué de A nucléons (Z protons et N neutrons) est noté .

La relation A = Z + N permet de calculer le nombre de neutrons présents dans le noyau.

  ·Le noyau contient des protons positifs qui se repoussent. Dans la leçon 8 nous avons vu que la cohésion du noyau est assurée par l'interaction forte entre les nucléons.

Remarque : Z est également appelé le numéro atomique. C'est le numéro de la case du tableau périodique des éléments dans laquelle se trouve l'élément étudié.

·Par exemple, l'atome de chlore le plus abondant dans la nature possède un noyau central contenant Z = 17 protons positifs et N = 18 neutrons. Le nombre de nucléons est donc A = Z + N = 17 + 18 = 35. On symbolise ce noyau par .


1-2
Le nuage périphérique (cortège d'électrons)

Loin du noyau se trouve le cortège électronique. Un atome, étant électriquement neutre, possédera autant d'électrons négatifs dans le nuage électronique que de protons positifs dans le noyau. De façon élémentaire, on peut dire que les électrons se répartissent sur des couches K, L, M, N ... de plus en plus éloignée du noyau central.

Le diamètre d'un noyau est de l'ordre de 10 - 15 m. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10 - 10 m. Remarquons que la définition du diamètre d'un atome est ambiguë. Il en existe plusieurs qui seront définis lors d'études ultérieures.

Règle de répartition des électrons sur les différentes couches K, L, M, N ...

La couche n

contient au maximum

2 n² électrons.

La couche n = 1 (K)

contient au maximum

2 ´ 1² = 2 électrons.

La couche n = 2 (L)

contient au maximum

2 ´ 2² = 8 électrons.

La couche n = 3 (M)

contient au maximum

2 ´ 3² = 18 électrons.

La couche n = 4 (N)

. . .

. . .

L'atome de chlore possédant 17 protons positifs p + dans le noyau aura donc, loin du noyau, 17 électrons négatifs e - répartis sur trois couches : (K)2 (L)8 (M)7


1-3
Les isotopes

·A un même élément chimique peuvent correspondre plusieurs atomes différents. Ces atomes ont le même cortège électronique mais ils diffèrent par leur noyau.

Des noyaux isotopes possèdent le même nombre de protons Z, mais des nombres de neutrons N différents.

Exemple 1 : A l'état naturel, l'élément chlore se présentent sous la forme de deux isotopes : et .

Les atomes (également appelés atomes isotopes) correspondants à ces deux noyaux isotopes possèdent le même cortège électronique et ont donc des propriétés chimiques identiques. Par contre leurs propriétés physique, par exemple leur masse, sont évidemment différentes.

On peut écrire pour ces 2 isotopes : K2 L8 M7 et K2 L8 M7. La partie noire décrit le noyau et la partie rouge décrit le cortège d'électrons.

D'autres isotopes du chlore se rencontrent en physique nucléaire, tous obéissent à la représentation K2 L8 M7. Tous se trouvent dans la même case du tableau périodique.

Remarque : L'ion chlorure Cl - constituant avec l'ion Na + le sel de cuisine est présent sous les 2 formes :

K2 L8 M7+1 et K2 L8 M7+1

Exemple 2 : Les trois isotopes les plus connus de l'élément carbone sont : , et .

On peut écrire : K2 L4 K2 L4 K2 L4

·Aux 92 éléments qui existent sur Terre à l'état naturel correspondent 350 noyaux différents (290 sont stables, 60 sont radioactifs).

·Aux 112 éléments que l'on connaît dans les laboratoires de physique nucléaire correspondent plus de 3000 noyaux différents.


2- RADIOACTIVITE a, b -, b +. Emission g


Becquerel (1850 - 1908) découvre en 1896 que certains sels d'uranium émettent des "rayonnements" pouvant traverser la matière et pouvant impressionner des plaques photos placées dans l'obscurité.

Progressivement, on a pu déterminer la nature de ces rayonnements.


2-1 Les quatre principaux types de rayonnement radioactif

 

·Les particules alpha ( a + + ) sont des noyaux d'hélium positifs, notés . Ces particules, formées de deux protons et de deux neutrons, ne sont que légèrement déviées par un champ électrique ou magnétique car leur masse est importante. Leur pouvoir de pénétration est faible. Quelques centimètres d'air ou une mince feuille de papier d'aluminium suffisent à les arrêter.

·Les particules bêta moins ( b - ) sont des électrons, notés . Leur faible masse fait en sorte que ces particules sont facilement déviées par un champ électrique ou magnétique, dans le sens opposé de la déviation des particules alpha. Leur grande vitesse leur procure un pouvoir de pénétration supérieur à celui des particules alpha. Il faut plusieurs mètres d'air ou quelques centimètres d'aluminium pour les arrêter.

·Les particules ß+ sont des positons, encore appelés antiélectrons (antiparticules des électrons), notés. Ces positons ont la même masse que les électrons mais une charge électrique opposée. Leur pouvoir de pénétration propre est très faible car ils s'annihilent lorsqu'ils rencontrent un électron en donnant naissance à un rayonnement g.

  L'émission de particules ß+ est exceptionnelle. Elle ne concerne que quelques noyaux artificiels.

·Les émissions de particules a + + , b - et ß+ modifient la composition du noyau.

·Les rayons gamma g sont des rayonnements électromagnétiques de grande énergie et de faible longueur d'onde. Ces rayons gamma, contrairement aux particules alpha et bêta, ne changent pas la composition du noyau qui les émet. En général ils sont émis par un noyau fils qui est dans un état d'énergie excité. Leur pouvoir de pénétration est très élevé : ils peuvent s'enfoncer dans plus de trente centimètres de plomb. Ces rayons g sont très dangereux pour l'homme.

Tableau récapitulatif

On rappelle que la charge élémentaire est e = 1,600217733 ´ 10 - 19 C (1).

En physique nucléaire, on utilise souvent l'unité de masse atomique 1 u = 1,6605402 ´ 10 - 27 kg (2).

Emission

Nature

Symbole

Masse approchée (u)

Charge (e)

Particule a

noyau d'hélium ++

4,00150 u

+ 2 e

Particule b -

électron

0,000549 u

- e

Particule ß+

positon

0,000549 u

+ e

Rayon gamma

rayonnement électromagnétique

g

0

0

Remarque 1 : Lorsque les noyaux radioactifs pères sont présents dans la nature, on parle de radioactivité naturelle. Lorsque les noyaux radioactifs sont produits par l'activité humaine, on parle de radioactivité artificielle.

Remarque 2 : A coté de ces quatre types de rayonnements au programme il existe d'autres transformations spontanées d'un noyau. Citons la capture électronique ou l'émission d'un ou deux protons (émissions récemment mises en évidence avec certains noyaux artificiels). Ces transformations assez rares sont hors programme.


2-2 Quelques propriétés des rayonnements radioactifs

·Les rayonnements radioactifs peuvent arracher des électrons à la couche périphérique des édifices atomiques de la matière qu'ils traversent. Cela peut provoquer l'ionisation des molécules du milieu cellulaire ou la rupture des liaisons moléculaires. Tous les constituants de la cellule peuvent être touchés mais c'est une action sur la molécule d'ADN qui risque d'avoir le plus de conséquences.

·Les êtres humains sont sans arrêt soumis à des rayonnements d'origine naturelle ou d'origine artificielle, c'est-à-dire dus aux activités de l'homme. Il faut s'efforcer de diminuer l'exposition aux rayonnements, mais il est impossible de la réduire à zéro.

·La radioactivité est invisible, inodore, inaudible. Elle est indécelable par nos sens. L'homme a du mettre au point divers dispositifs pour détecter cette radioactivité. Le plus ancien de ces dispositifs, utilisé par Becquerel, est une plaque photographique. Parmi les autres dispositifs, on peut citer les électroscopes, les chambres d'ionisation, le compteur de Geiger-Muller, la chambre à brouillard, les chambres à bulles, les chambres électroniques, les scintillateurs, les semi-conducteurs, etc.


2-3 Noyaux stables. Noyaux instables

·Un noyau stable garde indéfiniment la même structure. C'est le cas, par exemple, d'un des isotopes du carbone, l'isotope .

·Un noyau radioactif est instable. A une date inconnue, il se désintègre spontanément en un autre noyau, en émettant des particules a ou b et, souvent, un rayonnement g. C'est le cas, par exemple, d'un autre isotope du carbone, l'isotope qui est radioactif. Il se transforme en un noyau d'azote en émettant une particule b - .

+

(3)

noyau père

noyau fils

+

particule

Le noyau qui se désintègre, , est le noyau père. Le noyau obtenu, , est le noyau fils.

·On peut situer les noyaux stables et instables sur les diagrammes (N, Z) ci-dessous :


2-4 Diagramme (N, Z). Domaines de stabilité et d'instabilité des noyaux

Il est intéressant de représenter les noyaux atomiques dans le plan (N,Z).

Dans un premier temps limitons-nous à Z < 11.

 

Le diagramme complet de tous les nucléides peut être consulté dans le lexique.

Noyaux stables

Sur ce diagramme, les noyaux stables sont situés dans une zone, colorée en noir, nommée vallée de stabilité.

Pour Z < 20, les noyaux stables sont situés au voisinage de la droite Z = N.

Pour Z > 20, les noyaux stables sont situés au dessus de cette droite Z = N. Ils contiennent plus de neutrons que de protons.

La vallée de stabilité ne se poursuit pas au delà du bismuth (voir le diagramme complet), puisqu'au delà de ce noyau on ne trouve aucun nucléide stable.

Noyaux instables

Les noyaux sont instables quand ils contiennent trop de protons ou trop de neutrons. Ces noyaux radioactifs, qui ne sont pas situés dans la zone de stabilité, tendent à retrouver une configuration stable en expulsant une particule, à une date aléatoire.

Plusieurs lois gouvernent ces réactions nucléaires spontanées. Nous en retiendrons deux :

Loi de conservation de la charge électrique : la somme des nombres de charges de la particule émise et du noyau fils est égale au nombre de charge Z du noyau père.

Loi de conservation du nombre de nucléons : la somme des nombres de nucléons de la particule émise et du noyau fils est égale au nombre de nucléons A du noyau père.

Radioactivité b - : Le noyau père , situé au-dessous de la zone de stabilité, possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons. Il se transmute en transformant un neutron en proton, avec émission d'un électron . Le noyau fils se rapproche de la vallée de stabilité. L'équation de cette réaction nucléaire spontanée s'écrit :

+ (4)

Le noyau ne contenant que des protons et des neutrons, l'émission d'un électron doit être précédée de la transformation suivante :

+ (5)

Exemple :

+ .

On vérifie la conservation du nombre de charge Z (14 = 14 + 0) et du nombre de nucléons A (6 = 7 - 1).

Radioactivité ß + : Le noyau père , situé au-dessus de la zone de stabilité, possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons. Il se transmute en transformant un proton en neutron, avec émission d'un positon . Le noyau fils se rapproche de la vallée de stabilité.

+ (6)

Le noyau ne contenant que des protons et des neutrons, l'émission d'un positon doit être précédée de la transformation suivante :

+ (7)

Exemple :

+ .

On vérifie la conservation du nombre de charge Z (30 = 30 + 0 et du nombre de nucléons A (15 = 14 + 1).

Radioactivité a. : Ce type de désintégration concerne les noyaux qui sont "trop" lourds (A > 180 nucléons), vers la fin du tableau de Mendeleïev. Le noyau père émet un noyau d'hélium . Le noyau fils se rapproche de la vallée de stabilité.

   

+ (8)

Exemple :

+ .

On vérifie la conservation du nombre de charge Z (92 = 90 + 2) et du nombre de nucléons A (238 = 234 + 4).

Désexcitation g : Le noyau fils engendré à partir du noyau père par radioactivité a , b -, ß+ se trouve le plus souvent dans un état excité, noté . Il se désexcite en donnant un noyau stable et un rayon g.

+

g (9)

noyau fils excité

noyau fils stable

+

rayon gamma

Exemple : La production du noyau fils excité est suivie de l'émission du rayonnement gamma, avec désexcitation du noyau fils :

+ . Le noyau fils est excité et va émettre un rayon gamma.

+ g

Remarque : Le nombre de noyaux (stables ou radioactifs) naturellement présents sur Terre est voisin de 350. Ce nombre est porté à plus de 3000 (voir le diagramme complet) en comptant les noyaux artificiels préparés au laboratoire.

 

3- ACTIVITE D'UN ECHANTILLON RADIOACTIF


Activité

La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire. On ne peut pas, à l'échelle "microscopique", dire quand un noyau va se désintégrer mais cette désintégration est inéluctable.

L'activité A d'un échantillon radioactif est égale au nombre de désintégrations qu'il subit par seconde.

· A se mesure en becquerel (Bq).

·1 Bq correspond à une désintégration par seconde.

Demi-vie t 1/2

Le temps de demi-vie t 1/2 d'un nucléide radioactif est la durée au bout de laquelle le nombre initial de noyaux radioactifs est divisé par deux.  

 

A VOIR :

Exercice 9-A : Connaissances du cours n° 9.

Exercices 9-B : Divers types de radioactivité - Activité d'un échantillon radioactif.

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