Nucléaire - radioactivités naturelles

Il existe sur terre une radioactivité naturelle, celle-ci existe depuis l'origine de la Terre. Cette radioactivité dite naturelle provient  :

Cette radioactivité peut prendre trois formes distinctes pouvant être séparée par un champ électrique.

Ces trois formes sont : α++ (alpha) particule positive, β- (bêta) particule négative et γ (gamma) neutre.

I. Désintégration α++ :

Les particules α++ se présentent comme des noyaux d'hélium . Ce type de radioactivité se manifeste lorsqu'un noyau est rendu instable par la présence d'un trop grand nombre de nucléons, le noyau en émettant un paquet de quatre nucléons devient alors plus stable.

Cette désintégration peut s'écrire en utilisant une équation-bilan qui respecte les quatre règles de conservation :

Exemple avec de l'Uranium :

L'atome X a un noyau en surplus de nucléons, afin de devenir plus stable, il émet une particule alpha et se transforme un un autre élément chimique. Il peut arriver que ce nouvel élément Y soit lui-même radioactif.

Lors d'une désintégration alpha, le noyau se déplace dans le tableau des nucléides comme suit :

Les particules α++ sont relativement lourde et chargée deux fois positivement, elles interagissent fortement avec la matière et sont donc particulièrement dangereuse pour le corps humain, toutefois leur pouvoir pénétrant est très faible (stoppées par quelques cm dans l'air ou au niveau de la surface de la peau).

Il faut être vigilant avec les poussières radioactives qui pourraient se déposer sur les mains et pieds ou être absorbée par la bouche. Des mesures de protection tels qu'un masque à gaz, une combinaison spéciale, des gants et pantoufles ainsi qu'une bonne douche permettent de limiter les risques dans des lieux où il y a un risque potentiel de radioactivité.

II. Désintégration β- :

Les particules β- sont des particules chargées une fois négativement, il s'agit en fait d'électrons. Ceux-ci sont beaucoup plus légers que les particules alpha.

Lorsque l'on mesure l'énergie cinétique des électrons émis lors d'une désintégration bêta pour un même élément radioactif, on constate que celle-ci varie d'une fois à l'autre ! La loi de conservation de l'énergie serait-elle violée ?

Wolfgang PAULI, physicien américain a trouvé l'explication à cette curiosité. Il postulat qu'une autre particule que l'électron était émise en même temps prenant alors une partie de l'énergie cinétique. Cette particule serait indétectable en raison de sa très faible masse et de sa neutralité électrique.  En 1932, Enrico Fermi désigna cette particule comme étant différente du neutron découvert par Chadwick, il l'appela neutrino. L'hypothèse de Pauli fût vérifiée pour la première fois en 1953 lors de la première détection expérimentale des neutrinos. Ces particules sont extrêmement difficile à détecter, en effet plus de 10 milliards de neutrinos traversent la terre et sur ces 10 milliards, un seul sera arrêté et capté. Ces neutrinos sont sans doute, les particules les plus nombreuses de l'Univers.

Le neutrino se symbolise comme ceci :

 La désintégration β- a comme équation-bilan :

En guise d'exemple, le cas du carbone 14 (14C) :

De nouveau, il y a transmutation de l'élément chimique X. L'élément Y contient un proton de plus que l'élément X. Le nombre de nucléons reste inchangé, car c'est un neutron qui s'est transformé. Cette transformation peut résumer la radioactivité béta et son équation bilan est :

c'est un neutron qui se transforme en un proton, un électron et un antineutrino ().

Ce type de radioactivité conduit au déplacement suivant dans le tableau des nucléides :

Ces particules (électrons) sont chargées négativement et interagissent donc fortement avec la matière. De plus, leur masse étant plus faible, leur pouvoir de pénétration est plus élevé que pour les particules alpha. Ainsi ces particules peuvent atteindre des cellules non épidermiques. (risques de cancer).

 

 

 

III. Désintégration γ :

Les particules γ sont électriquement neutre, il s'agit en fait de photons. Ces particules sont émises lorsqu'un noyau a un surplus d'énergie suite à une cassure, une collision ou a suite à l'exposition à un autre type de radioactivité. Le phénomène est assez semblable à celui des photons lumineux, mais l'énergie des particules γ est bien plus élevée.

L'équation bilan d'une désintégration γ prend la forme :

L'astérisque indique un surplus d'énergie au niveau du noyau de l'élément. Dans ce type de radioactivité, il n'y a pas de transmutation chimique. Un exemple avec du carbone 12 :

Ce qui donne dans le tableau des nucléides :

Les particules γ étant neutres, elles n'interagissent que faiblement avec la matière mais peuvent interagir avec les électrons. Elles ont un très grand pouvoir de pénétration (stoppées par quelques cm de plomb ou dm de béton). Le personnel exposé à ce type de radioactivité est surveillé afin de ne pas dépasser la dose reçue par la radioactivité naturelle.

Ces doses sont en Belgique de 100mrem/an.

A titre d'informations : une radiographies aux rayons X vaut 50 mrem/an | les rejets des centrales nucléaires sont équivalents à 0,0mrem/an et les retombées des essais nucléaires de 3mrem/an.

(c) illustration - Auteur : La main à la pâte

Source : http://www.inrp.fr/lamap/scientifique/énergie/savoir/nucléaire/radioactivite.htm

Nucléaire - radioactivités artificielles

La radioactivité artificielle est créée par l'homme par collision entre des noyaux stables, le bombardement d'un noyau stable avec des neutrons,...

Il est donc possible de transformer le plomb en or ! ... En utilisant la radioactivité.

Les rayonnements émis par cette radioactivité sont divers (α,  β+, γ, neutrons,...). Lorsqu'un noyau est trop riche en protons, un type de radioactivité particulier est observé, il s'agit de la radioactivité β+. Son équation bilan est :

Un exemple avec un atome de carbone 11 :

Dans le noyau, un proton se transforme en neutron, en un anti-électron (positron) et en neutrino (antiparticule de l'antineutrino). Le positron est une particules ayant les mêmes propriétés que l'électron mais portant une charge positive. il s'agit d'une particule d'antimatière. Lors de la rencontre d'un électron et d'un positrons, les deux particules disparaissent et se transforment en deux photons partant dans deux directions opposées.

Dans le tableau des nucléides, la radioactivité β+ donne ceci :

 

 La radioactivité β+ est souvent utilisées dans les applications scientifiques.