La radioactivité : un phénomène physique

Comment fonctionne une centrale nucléaire ? La France est un grande puissance nucléaire. En effet, en plus d’avoir en sa possession la bombe atomique, puissante arme de dissuasion, elle possède de nombreuses centrales nucléaires afin d’être autonome en électricité.

La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d’autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d’hélium ou encore des neutrons et en émettant de l’énergie sous la forme de photons et d’énergie cinétique. On appelle cela une désintégration.

On appelle alors l’émission de particules, qu’elles soient matérielle ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l’énergie des particules est telle qu’elle est capable d’entraîner la ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l’on listera un peu plus tard.

La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d’irradiation. Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l’exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l’exposition est interne que si l’exposition était externe ou encore en surface.

Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industrie, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièce manufacturées, les soudures, l’usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu’il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.

Les différents types de radioactivité

La radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis

La radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4

Il est possible de considérer le Soleil comme un puissant générateur nucléaire car, en son sein, de nombreuses réactions atomiques se produisent

La radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable

Le vocabulaire associé pour comprendre la notion

Isomère nucléaire

Des isomères nucléaires sont des atomes qui partagent le même noyau mais dans états énergétiques différents. C’est à dire qu’ils comportent un spin et une énergie d’excitation spéciaux. Dans leur état d’énergie le plus bas, on dit qu’ils atteignent l’état fondamental.

Capture électronique

La capture électronique, aussi appelée désintégration ε, est un processus de physique radioactive lors duquel un noyau d’atome qui est en manque de neutrons absorbe un électron de la couche électronique de son atome

Produit de désintégration

On appelle produit de désintégration le nucléide descendant d’un désintégration radioactive d’un nucléide précédent

Fission spontanée

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré

Bombe H

Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple

Bombe A

Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce fut les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples

De nombreux essais nucléaires ont été réalisé dans les îles par l’armée américaine. De ce fait, beaucoup de territoire sont très pollués et radioactif, malgré cela, la population reste sur place mais souffre de nombreux cancers.

La radioactivité dans l’espace

Dans l’espace, les rayonnements nucléaires auxquels peuvent être soumis les astronautes ne proviennent pas de matériaux radioactifs qui auraient pu être embarqués dans les stations spatiales. En effet, ces rayonnements ont pour source le Soleil où de nombreuses fusions nucléaires à très grande échelle ont lieu. Ainsi, lors de ces fusions, des noyaux légers, tels que l’hydrogène, fusionnent afin de constituer des noyaux plus lourds tout en libérant une importante quantité d’énergie sous la forme de rayonnement radioactif.

Il serait alors intéressant de calculer l’activité nucléaire du Soleil :

La notion d’activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l’activité d’une source correspond à l’expression du nombre de désintégrations par secondes d’un atome composé d’un certain nombre de noyaux radioactifs. Cette grandeur s’exprime habituellement en becquerels de symbole Bq. On peut donc en déduire un taux de désintégration des noyaux atomiques.

Cependant, l’utilisation de cette unité pose parfois des problèmes. En effet, le becquerel est une unité petite. Par exemple, un élément radioactif dont la durée de demie-vie est d’un million d’années,  une mole de cet élément aura une activité de 20 x 109 Bq.

Pour un échantillon de noyaux radioactifs, le temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents à un instant t se soit désintégrée.

Pour rappel, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l’Homme.

Dans le cas où les radioisotopes sont dans un mélange, plus la demie-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.

Exercice sur la répartition neutronique 

Un milieu radioactif produit des neutrons dans un volume sphérique de rayon R et de centre O. On donne σ, nombre de neutrons créés par une unité de volume et de temps. Ces neutrons peuvent diffuser dans tout l’ espace mais on supposera que la densité particulaire n des neutrons est nulle à l’infini de O. Le milieu de la diffusion a un coefficient de diffusion D uniforme. Compte-tenu des symétries du problème, n ne dépend que de r et t.

  1. Donner sans démonstration l’équation aux dérivées partielles vérifiée par n et la simplifier à l’aide d’un formulaire sur les opérateurs dans chaque domaine : r inférieur ou supérieur à R.
  2. Retrouver ces résultats en effectuant un bilan de matière dans une pellicule sphérique d’épaisseur dr entre t et t+dt.
  3. Simplifier en régime stationnaire.
  4. Déterminer n dans chaque domaine.
  5. En déduire la densité particulaire des neutrons au centre O.

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Joy

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