Définition de la radioactivité

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.

Comment évolue la radioactivité ? La radioactivité peut rester des dizaines d'années. En effet, on vient récemment de déceler de nouveaux points chauds avec une très grande présence de radioactivité dans la zone de Tchernobyl. Cette photographie représente la piscine abandonnée de la ville de Pripiat.

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.

Découverte de la radioactivité

Comme beaucoup d'autres découvertes scientifiques, le phénomène de radioactivité a été découvert complètement par hasard.

Qui étaient Pierre et Marie Curie ? Marie Curie et son mari Pierre Curie ont effectué de nombreux travaux sur la radioactivité. Cela vaudra à Marie de recevoir deux prix Noel de physique : le premier en 1903 et le second en 1911.

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.

En conclusion, la radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel lors d'une étude concernant l'uranium et cette découverte sera confirmée plus tard par Marie Curie après une étude du radium.

Marie Skłodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux

La composition du noyau

Le noyau de l’atome est composé de nucléons : les neutrons et les protons. Leur nombre est amené à varier d’un atome à l’autre.

Comment sont réparties les charges dans un atome ? Ce schéma représente un atome avec son noyau composé de neutrons et de protons ainsi qu'autour, son nuage électronique composé d'électrons. Ces derniers sont de charge négative.

Le nombre de protons est unique pour un seul et même élément. C’est au nombre de protons que l’on détermine de quel atome il s’agit. En temps normal, (lorsque l’on est face à un atome et non un ion), le nombre de protons est égal au nombre d’électrons.

Le nombre de neutrons peut varier pour un même nombre de protons.

On appelle isotope un atome contenant le même nombre de protons ( même élément de la table) mais un nombre de neutrons différents. Par exemple, le tritium contient un proton et deux neutrons. Il est un isotope de l’hydrogène ( qui ne contient qu’un proton et aucun neutron).

Les protons portent une charge q = -e où e représente la charge portée par un électron. Leur masse est de 1, 672. 10-27 kg.

Les neutrons ne portent pas de charge électrique. Leur masse est de 1, 674.10-27 kg.

On distingue le nombre de masses et le nombre de charges :

le nombre de masses est le nombre de nucléons contenus par le noyau : il est noté A et se compose de la somme du nombre de protons (Z, le numéro atomique) et du nombre de neutrons.

le nombre de charges est égal au nombre noté Z, le numéro atomique de l’élément qui traduit aussi bien le nombre d’électrons que le nombre de protons puisqu’il y a électro neutralité des atomes.

La notation d’un nucléide ( c’est à dire d’un noyau ayant un nombre de protons et un nombre de neutrons donnés) se note de la façon suivante: avec les conventions établies plus haut.

On appelle radioactivité la propriété qu’ont certains corps de se désintégrer spontanément pour en devenir d’autres en libérant de l’énergie et en expulsant des neutrons. Il y a à cette occasion émission de rayons.
De même que Lavoisier pouvait dire qu’en chimie, ‘rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ’, certaines lois de conservation peuvent être observée lors d’une réaction nucléaire : il y a en effet conservation du nombre de masses et du nombre de charges.

Ceci signifie que les sommes du nombre de masses dans chacun des membres de l’équation-bilan de la réaction nucléaire doivent être les mêmes. Il en va de même pour le nombre de charges.
On note bien que : 84 = 82 + 2 ( conservation du nombre de charges)

et 210 = 206 + 4 ( conservation du nombre de masses)

Par ailleurs, il faut noter qu’il y a conservation de l’énergie. En effet, lors de la désintégration, il y a transformation de l’énergie de liaison des nucléons en énergie d’une autre forme : de l’énergie rayonnante puisqu’il y a émission de rayons et de l’énergie cinétique qui se manifeste par la vitesse des neutrons expulsés.

La désintégration a :

un noyau dit "  père " se désintègre en un noyau " fils " par émission d’une particule a. On appelle particule a un noyau d’hélium  :

La désintégration b :

un noyau père se transforme en un noyau fils en émettant une articule b. On distingue radioactivité b - et radioactivité b + selon que la particule libérée est une particule b - ( l’électron ou une particule b +, appelée positron notée ). Les lois de conservation permettent de voir qu’il y a aussi émission d’une particule de masse nulle et de charge nulle, le neutrino ou l’anti-neutrino.

En équation-bilans, ces désintégrations se constatent de la façon suivante:

radioactivité b - :

radioactivité b + :

Le rayonnement g :

Lors d’un désintégration a ou b, le noyau fils peut être créé dans un état excité. Il retrouve son état fondamental
(c’est à dire son niveau d’énergie la plus basse) en émettant un rayon g, rayon similaire à un photon de très haute fréquence. On appelle cette émission une désexcitation g.

La période radioactive d’un nucléide est le temps nécessaire pour que la moitié de ses noyaux ait subi la désintégration. On l’appelle aussi demi-vie.

Chaque nucléide a une demi-vie propre. les valeurs de cette demi-vie peuvent varier de quelques nanosecondes à plusieurs milliards d’années.

On peut estimer à tout moment la quantité restant dans l’échantillon dès lors que l’on connaît la quantité originellement disponible, le temps écoulé depuis et la période du nucléide concerné.

au bout d’une période, on a un quantité restante égale à la moitié de celle disponible.
La représentation graphique de la quantité de matière radioactive est donnée par la courbe ci-dessous.

On peut aussi définir l, la constante radioactive avec.

L’activité d’une source de radioactivité est mesurée dans le système international en Becquerels. Un becquerel ( Bq) correspond à une désintégration en une seconde. On obtient la valeur de l’activité de la source radioactive A en calculant le ratio :
A= nombre de désintégration observées / durée d’observation en seconde

Elles sont provoquées parce qu’elles nécessitent l’intervention d’une autre particule ou d’un noyau. On distingue trois grands types de réaction : la transmutation, la fission et la fusion.

La transmutation :Un noyau précédemment stable devient radioactif par l’action d’un rayonnement radioactif dû à un autre noyau radioactif: dans un premier temps, un noyau radioactif se désintègre pour devenir stable. il émet un rayonnement qui rend l’autre noyau radioactif, puis cet autre noyau va se désintégrer pour redevenir stable.

Comment créer de l'électricité ? On utilise la fission nucléaire pour récupérer l'énergie atomique dans les centrales nucléaires. En effet, lors de la fission, d'énormes quantités d'énergies sont libérées. Ces dernières permettent de chauffer de l'eau qui ira alimenter des turbines pour créer l'électricité.

La fission :La rencontre d’un neutron " lent " et d’un noyau lourd donne naissance à un noyau extrêmement lourd et instable qui se scinde en deux et qui libère de nouveaux neutrons lents qui pourront à leur tour donner lieu à de nouvelles fissions.

Ecrire une équation bilan

Afin de remplir une équation bilan, on utilise habituellement un tableau de ce type :

Équation de la réaction2H2 + O2 → 2H2O
Quantités de matières initiales (mol)n(H2)i=0,2n(O2)i=0,2n(H2O)i=0,0
Quantités de matières de réactifs consommés
et de produits formés à la date t (mol)
n(H2)=2xn(O2)=xn(H2O)=2x
Quantités de matières présentes à la date t (mol)
lorsque l'avancement est x
n(H2)t=0,2-2xn(O2)t=0,2-xn(H2O)t=2x
Quantités de matières finales (mol)
lorsque l'avancement est xmax
n(H2)f=0,2-2xmaxn(O2)f=0,2-xmaxn(H2O)f=2xmax

La réaction en chaîne

La fusion :A très haute température, deux noyaux légers peuvent fusionner pour en donner un seul et en émettant un rayon g.

On appelle capture neutronique la capture par un noyau d’un neutron rapide qui augmente d’une masse le noyau qui le capture.Il faut savoir :

  • Comprendre les trois grands types de désintégration ;
  • Calculer la quantité restante après n périodes.

Il faut faire attention :

  • Aux unités de temps dans le calcul de l’activité de la source ;
  • A la distinction entre charges et masses.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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