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Etude du phénomène radioactif

Par Yann le 26/03/2018 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Physique nucléaire > La Radioactivité

Définition de la radioactivité

Notion de stabilité des noyaux atomiques

Le caractère stable ou instable d’un noyau est le résultat d’une compétition féroce entre les forces attractives et répulsives présentes en son sein.

En effet, un noyau est un assemblage de protons, de neutrons et d’électrons.

Pour l’élément naturel le plus lourd, l’uranium, le nombre de nucléons, c’est-à-dire la somme de ses protons et neutrons est de 238.

 

Pourquoi certains noyaux sont-ils radioactifs ? La structure de certains noyaux atomiques les rendent instables

Les protons sont des particules chargées électriquement et devraient se repousser avec force puisqu’elles sont chargées positivement, donc de même signe. Mais cette répulsion électrique est annihilée par la puissante force attractive nucléaire. Cette force est appelée interaction forte et implique que les nombres de protons et de neutrons soient similaires.

Pour faire l’état des lieux des forces en présence, l’interaction faible est à ajouter à l’interaction forte ainsi qu’à la répulsion électrique. Celle-ci permet la cohésion des noyaux grâce à l’apport d’une énergie de liaison importante entre nucléons.

Ce sont ces trois forces qui donnent aux noyaux atomiques leur stabilité.

Pourquoi certains noyaux sont instables ?

Certains noyaux atomiques sont instables : ils comportent en effet trop de nucléons et plus particulièrement trop de neutrons.

Lorsque le nombre de nucléons augmente, l’interaction électromagnétique, bien que moins intense finit par devenir plus puissante que l’interaction forte. Ainsi, les forces répulsives sont plus importantes. Cela conduit à la désintégration du noyau.

De cette manière, des noyaux atomiques instables peuvent spontanément donner naissance à un nouveau noyau plus stable : ce phénomène est aussi appelé “désintégration radioactive”.

La radioactivité est donc une transformation nucléaire spontanée qui transforme un noyau instable en un noyau plus stable.

Les isotopes radioactifs existent à l’état naturel, dans l’air, l’eau, le sol, les matériaux qui nous entourent et même dans les tissus vivants. Cette radioactivité naturelle reste en générale peu intense et ne présente pas de risque pour la santé. Il existe aussi une radioactivité artificielle liée aux activités humaines.

La découverte de la radioactivité

Aussi incroyable que cela puisse paraître, le phénomène de radioactivité a été découvert complètement par hasard.

Le premier à l’avoir mis en évidence, c’est Henri Becquerel. Celui-ci faisait des recherches sur les liens potentiels entre les rayons X et la fluorescence. Pour cela, il utilisait une préparation de sel phosphorescent d’uranium.

Tout d’abord, il déposa ce sel sur des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir.

Ensuite, il exposa cette préparation au soleil puis développa les plaques.

Les photographies montrent l’image des cristaux de sel d’uranium. Henri Becquerel en déduit que cette image a été créée par les rayons X découverts quelques temps plus tôt par Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand.

Le raisonnement de Becquerel est simple : il pense que l’énergie solaire est absorbée par l’uranium avant d’être réémise sous forme de rayons X.

Pour confirmer ses hypothèses, il souhaita poursuivre ses expériences. Mais ces expériences impliquaient la présence du Soleil qui se montra timide plusieurs jours durant.

Henri Becquerel a donc été contraint de repousser ses expérimentations et rangea ses plaques photographiques imprégnées de sel d’uranium dans un placard.

Quelques jours plus tard, il les ressortit et décida de les développer bien qu’il ne s’attende pas à trouver grand chose.

 

Pourquoi la radioactivité est-elle dangereuse ? Les radiations radioactives ont coûté la vie à Marie Curie.

Mais ce n’est pas le cas : il fut surpris de découvrir une impression nette sur ses plaques.

La conclusion de ce coup de chance est la suivante : en l’absence de source d’énergie extérieure, une substance inerte produit une émission spontanée d’un rayonnement.

Henri Becquerel vient de découvrir la radioactivité.

La découverte de Becquerel va par la suite être utilisée par les époux Pierre et Marie Curie dans leurs expérimentations sur le minerai d’uranium appelé pechblende. Ils découvrent tour à tour le Polonium, ainsi nommé en référence au pays natal de Marie Curie, la Pologne, ainsi que le radium qui s’avère extrêmement plus radioactif que l’uranium.

C’est d’ailleurs au couple Curie qu’on doit le terme de “radioactivité”.

Les différents types de désintégration radioactive

La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire. Ainsi, chaque désintégration est un événement indépendant et il n’est pas possible de prévoir à quel moment un noyau instable donné va subir une désintégration.

Lors d’une désintégration radioactive la formation d’un nouveau noyau est accompagné de l’émission d’une autre particule. Il existe en tout trois types de radioactivité correspondant à l’émission de trois types de particules différentes :

La radioactivité alpha (?)

La particule émise est un noyau d’hélium 4 aussi appelée particule alpha ou même particule a. Le noyau d’hélium est constitué de deux protons et de deux neutrons.

Par conséquent, le noyau stable résultant de la désintégration possède deux neutrons et deux protons de moins que le noyau instable dont il est issu.

Dans l’air, la portée de ces particules est seulement de quelques centimètres. Une simple feuille de papier peut les arrêter.

La radioactivité Bêta (?)

La radioactivité bêta se caractérise par la transformation d’un neutron en proton. Ce phénomène est accompagné par l’émission d’une particule, un électron.

Une feuille d’aluminium ou bien une vitre en verre suffisent pour stopper le parcours des électrons ainsi émis.

La radioactivité Gamma (?)

La radioactivité gamma est caractérisée par l’émission d’un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est de même nature que la lumière visible ou les rayons X. Il est cela dit beaucoup plus énergétique et donc plus pénétrant. Par conséquent, plusieurs centimètres de plomb ou plusieurs dizaines de centimètres de béton sont nécessaires pour les arrêter.

En réalité, l’émission d’un gamma n’intervient jamais seule. En effet, elle succède, assez rarement à une désintégration alpha, mais beaucoup plus souvent à une désintégration bêta, ou encore à la capture d’un neutron par un noyau.

Ces événements laissent généralement le noyau dans un état excité.

Il faut noter que le danger des transformations radioactives s’explique par l’état excité dans lequel peut se trouver le noyau produit. Le rayonnement gamma alors émis permet de “désexciter” le noyau.

Les lois de conservation

Lors d’une transformation nucléaire deux lois de conservation sont respectées.

  • La conservation de la charge électrique: la charge électrique du noyau initial est égale à la charge électrique totale du noyau et de la particule qui se forme. On l’appelle aussi loi de conservation du nombre de charges.
  • La conservation du nombre de nucléons: le nombre de nucléons dans le noyau initial correspond au nombre total de nucléon dans le noyau formé et la particule émise. Il est cependant possible qu’un nucléon se transforme en un autre type de nucléon. En effet un proton peut devenir un neutron et inversement. Elle est également nommée la conservation du nombre de masse.

Les caractéristiques de la radioactivité

Les unités de mesure

Le Becquerel, le Gray, le Sievert sont les trois unités qui mesurent la radioactivité, son énergie et ses effets

  • Le Becquerel (Bq)

Le Becquerel permet de mesurer le niveau de radioactivité, ou plutôt son activité. Il s’agit en réalité du nombre d’atomes qui se désintègrent par unité de temps, exprimée en secondes.
Une ancienne unité était également utilisée : le Curie (Ci), du nom de Pierre et Marie Curie.

    \[1 Ci = 3,7.10^10 Bq\]

  • Le Gray (Gy)

Il permet de mesurer la quantité d’énergie absorbée par de la matière exposée à des rayonnements ionisants. On dit qu’un rayonnement est ionisant lorsque l’énergie émise est suffisante pour transformer les atomes qu’ils traversent en ions.

1 Gray équivaut à une énergie absorbée de 1 joule par kilo de matière.

 

Comment mesure-t-on les seuils de radioactivité dangereux pour l'Homme ? Le dosimètre sert à mesurer la quantité de radioactivité se dégageant de l’environnement

Une ancienne unité était également utilisée : le rad :

    \[1 Gy = 100 rad\]

.

  • Le Sievert (Sv)

Le Sievert est une variante du Gray et permet d’évaluer les effets biologiques des rayonnements d’origine naturelle ou artificielle sur l’homme, en fonction du type de rayonnement. Il a plus de sens lorsqu’il est rapporté à une unité de temps (Sievert par an (Sv/an) ou Sievert par seconde (Sv/s).

Une ancienne unité était également utilisée : le rem :

    \[1 Sv = 100 Rem.\]

La période radioactive

La notion de période d’un noyau radioactif permet d’estimer la rapidité de sa désintégration et du temps pendant lequel il sera perçu comme radioactif.

Selon les éléments atomiques, la durée peut varier d’une rapide fraction de seconde à l’éternité d’un milliard d’années.

La période d’un nucléide correspond au temps nécessaire pour que ne subsiste que la moitié des noyaux existants à un instant t. Cette notion de période porte également le nom de demi-vie.

La période d’un nucléide ne dépend pas du moment auquel on la calcule. On observe aussi que la quantité de noyaux non désintégrés diminue très vite avec le nombre de périodes. Ainsi, pour voir diviser par mille la radioactivité d’un échantillon, il faut attendre dix périodes.

ElementNombre de nucléonsNombre de protonsPériode
Iode53131~8 jours
Césium55137~30 ans
Radium88226~1600 ans
Carbone6145730 ans
Plutonium94244~80 millions d'années
Potassium1940~1,2 milliards d'années
Uranium92238~4,5 milliards d'années

Un nucléide dont la période est d’un million d’années subsistera un million de fois plus longtemps qu’un autre dont la période est d’une année. En revanche, il sera un million de fois moins radioactif.

Les courts temps de vie correspondent à des noyaux qui se désintègrent facilement, c’est-à-dire très instables. Les longues périodes correspondent, elles, à des noyaux plus stables mais ayant néanmoins un déséquilibre.

L’activité radioactive

L’activité d’un échantillon radioactif est le nombre de désintégrations qui s’y produisent par unité de temps, c’est-à-dire en une seconde.

L’activité d’un échantillon évolue dans le temps.

En d’autres termes, l’activité permet d’indiquer le rythme auxquelles se font les désintégrations radioactives d’un échantillon de matière.

Elle s’exprime en Becquerel (Bq) et un Becquerel correspond à une désintégration par seconde.

L’activité d’une substance dépend de la quantité et de la nature de cette substance.
Ainsi, l’activité d’un litre d’eau de mer est par exemple de 10 Bq tandis que celle d’un kilogramme de minerai d’uranium est de 107 Bq

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