La radioactivité


Historique

    La radioactivité à été découverte par un physicien français du nom de Henri becquerel en 1896. Il l'a découvert tout à fait par hasard. Il avait en effet rangé des plaques photographiques au contact de sels d'uraniums dans un tiroir. Les plaques étaient impressionnées alors qu'elles étaient dans l'obscurité. Becquerel en déduit donc que les sels d'uraniums émettaient des radiations.


          
D'autres français, les chimistes Pierre et Marie Curie, montrèrent 2 ans plus tard que la radioactivité était dutaux atomes. E Rutherford réussi en 1911 à prouver l'existence d'un noyau dans l'atome. Depuis l'hypothèse s'est transformé en une théorie élaborée de la structure atomique qui peut expliquer le phénomène de radioactivité. Il démontre en effet avec l'aide de F Soddy que les radiations sont en fait du à des désintégrations de noyau atomique instables. Les principales lois de la radioactivité ont été ainsi instaurées dans la 1ère moitié du XX mais monopolisent encore énormément les scientifiques.

Atome

    La radioactivité on l'a dit est lié à l'atome. On sait depuis Rutherford que l'atome est composé de 3 particules: le proton, l'électron, et le neutron. Le proton est chargé positivement et sa charge est la charge élémentaire (e=1,60*10-17 Coulombs). Le neutron lui est électriquement neutre. Ces 2 particules composent le noyau de l'atome. Ils ont à peu près le même poids ( 1,67*10-27 Kilogramme)et la même taille, c'est pourquoi on les regroupe sous le nom de nucléon. Ce noyau a un rayon d'environ 10-15 mètre. Autour de celui ci gravite un nuage d'électrons. Ces électrons ont un poids 2000 fois inférieur à ceux des nucléons. Ils sont chargés négativement, de charge -e : cela donne un atome électriquement neutre (car le nombre de proton est égal au nombre d'électron dans un atome.

On modélise un atome comme ceci :

    

Un atome s'écrit aussi sous cette forme . Dans cette écriture X représente le symbole de l'élément chimique, A est le nombre de masse c'est à dire le nombre de nucléons du noyau, et Z est le numéro atomique (ou nombre de proton ou d'électron dans un atome. Le nombre de neutrons est donné lui par la différence entre A et Z (A-Z neutron). Certains élément comme le carbone (C) ont le même numéro atomique pour un nombre de masse différent. On a ainsi du . On appelle ces différentes sortes du même élément des isotopes.

Les unités.
Il y a à l'échelle atomique une unité spéciale : l'unité de masse atomique (symbole: u). Cette unité a été crée parce que le kilogramme est peu pratique. L'unité de masse atomique est par définition de la masse d'un atome de carbone. Or on sait que une mole de carbone C, pèse 12 grammes donc

.

Dans ce calcul Na est le nombre d'Avogadro soit 6,022*1023 atomes par mol.
On constate donc que la masse d'un nucléon est proche de 1u car un électron est 2000 fois inférieur au nucléon (il est donc souvent négligé).

Les radiations.

Il existe plusieurs types de radiations: la radiation a (alpha), la b (bêta), et la g (gamma).

*Les émissions gamma.

Lors d'une désintégration nucléaire, le noyau instable, appelé noyau père donne un noyau différent appelé noyau fils. Le noyau fils issu de la désintégration du noyau père est dns un état momentanément instable, appelé état excité (noté X*). Il possède un excédent d'énergie: il devient stable en libérant cet excédent d'énergie sous forme de rayonnement . On dit qu'il se désexcite. Cette désexcitation se représente comme cela.

     

Ces rayons sont de nature électromagnétique ils ne sont donc pas chargés et ils n'ionisent que très peu la matière qu'ils traversent. Ce sont cependant les rayons les plus dangereux car ils sont très pénétrants (ils traversent plusieurs centimètre de plomb). Ces rayons ont une longueur d'onde très courte.

*La radioactivité a.

Pendant une désintégration a, un noyau lourd (tel que l'uranium) expulse une particule a. Cette particule est en fait un noyau d'hélium He (ou ion He2+) éjecté à très grande vitesse (de l'ordre de 20 000 km.s-1).Elles sont chargées positivement comme l'a montré Rutherford, et sont très ionisantes. Une feuille de papier ou quelque centimètre dans l'air suffit à les arrêter. Cela donne un élément fils plus léger et généralement dans un état excité, noté Y*. L'expulsion a vérifie la conservation des nombres de masses et des numéros atomiques : comme il y a perte d'un noyau He alors Zy = Zx - 2, et Ay = Ax - 4.La désexcitation du noyau fils s'accompagne d'émission de rayonnements . On écrit alors ainsi l'équation bilan d'une désintégration a.

     

*La radioactivité b

Il existe 2 types de radioactivité b : la b- et la b+ . Ces radiations sont plus rapides que les particules a, mais sont moins ionisantes. Elles sont chargées négativement ou positivement (suivant le signe) et sont arrêtées par un écran de Plexiglas ou de plomb. Comme pour la radiation a le noyau se désintègre et donne un noyau fils qui se désexcite en libérant des rayonnements gamma .

La radioactivité b-
Lors de cette désintégration il y a plusieurs types de particules émises.* Il y a tout d'abord un électron noté e car son nombre de masse est nul (son poids est considéré comme négligeable), et sa charge est la charge élémentaire négative.
* Il y a ensuite un antineutrino noté . C'est une particule électriquement neutre et de masse quasi nulle qui fut très difficile à détecter. C'est l'antiparticule du neutrino.
*Il y a enfin des rayonnements gamma émis lors de la désexcitation du noyau fils.
On écrit ainsi la réaction de radiation b- :

     

Le nombre de charge est Z +1 car 1 neutron c'est en fait un proton plus un électron or un électron est parti, il y a donc une charge élémentaire en plus.

La radioactivité b+
La radioactivité b+ a les mêmes propriétés que la b- à ceci près qu'elle est chargée positivement et qu'elle n'a lieu que pour des radionucléïdes artificiels. Cette désintégration a aussi lieu seulement dans le cas où un noyau instable aurait un excès de protons. Il y a de nouveau dans cette désintégration émission de particules : *le positron. C'est l'antiparticule de l'électron. Il a pour symbole e. Il a la même masse que l'électron seul le signe de sa charge change (c'est le principe de toute antiparticule).
*Le neutrino. C'est une toute petite particule de charge électrique neutre et de masse quasiment nulle. On le note v
* Il y a enfin émission de radiation gamma par désexcitation du noyau fils.
On écrit ainsi l 'équation bilan de cette réaction

    

Le nombre de charge est ici de Z -1 car en fait un proton est égal à un neutron auquel on ajoute un positron, or comme on éjecte un positron il y a une charge élémentaire en moins.

Détection et protection.

     Pour détecter une activité radioactive on utilise un compteur Geiger- Muller. Il fut mis au point en 1913 par Geiger et améliorez en 1928 par Geiger et Muller. Cet appareil est constitué d'un tube rempli de gaz rare dans lequel règne un fort champ électrique (les gaz sont généralement un mélange hélium-argon).

            

Au contact d'éléments radioactifs les gaz sont ionisés par les particules émises. Chaque ionisation est enregistrée sous forme de d'une impulsion. En comptant les impulsions on détermine le nombre de particule et donc le nombre de désintégration. Il émet aussi dans ce cas un son très caractéristique.

En ce qui concerne la protection elle est caractéristique de chacune des différentes radiations émises. En effet il y a un ordre croissant de danger. Tout d'abord la particule alpha. Elle est peu dangereuse car elle est arrêtée par une simple feuille de papier ou par quelques centimètres parcourus dans l'air. La particule bêta est, elle, déjà plus dangereuse. Il faut en effet quelques centimètres d'aluminium pour arrêter ces particules. Il y a enfin le rayonnement gamma. Du fait que c'est un rayonnement électromagnétique et que sa longueur d'ondes est très courte il est très pénétrant et peut passer au travers de plusieurs centimètres de plomb. C'est le plus gros danger de la radioactivité et c'est pourquoi dès que l'on assure le transfert de matériel radioactif ou qu'on l'utilise, il y a forcément autour une grande quantité de plomb ou de béton.

          

Activité et période.

      L'activité A d'un radionucléïde donné mesure le nombre de désintégrations par unité de temps elle est la plupart du temps donné en becquerel (du nom du physicien), noté Bq. Un becquerel est en fait une désintégration par seconde. Lors de grosses désintégrations comme dans les centrales nucléaires on utilise plutôt le curie (du nom des physiciens), noté Ci. Cette unité est beaucoup plus grande que le becquerel en effet
1Ci = 3 ,7*1010 Bq
Cette activité n'est ni constante ni infinie : elle diminue en fonction du temps. On appelle période le temps que met l'activité d'un radionucléïdes pour diminuer de moitié. Chaque radionucléïdes a sa propre période : c'est dons un moyen de les différencier. Cette période noté T (appelé aussi demi-vie) peut varier de plusieurs millions d'années (pour l'uranium 235), à quelques heures (pour le technétium 99)

Les unités

      Nous avons déjà vu les unités d'activité ( le Becquerel et le Curie), mais il y a encore beaucoup d'unité possible pour mesurer la radioactivité et ses différents effets.
Tout d'abord sur de la matière il y a deux unités : Le Gray (Gy) et le Rad (rd). Ces unités mesurent l'énergie reçue par la matière irradié par unité de masse. Il y a là encore une unité plus forte que l'autre : 1Gray = 100 Rad. Il y a aussi deux dérivés de ces unités afin de mesurer le débit de dose absorbée par unité de masse et de temps. On obtient alors le gray par heure et le Rad par heure. La hiérarchie est conservée car
1Gray/h = 100 Rad/h.
Il y a ensuite les effets sur l'homme. Pour cela il y a aussi deux unités : Le Sievert (Sv) et le Rem (rem). Ces unités mesurent les dégâts biologiques sur des tissus vivants irradiés. Pour ces deux unités il y a aussi des équivalences pour mesurer les dégâts biologiques en fonction du temps, ce qui donne le Sievert par heure et le rem par heure. On observe de toute façon les même égalités
1 Sv = 100 rem et 1 Sv/h = 100 rem/h
Heureusement on n'utilise pas toutes ces unités en effet seul la moitié sert ( le Sievert et le Gray sont généralement celle utilisées.)



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