| Rayonnements ionisants et radioactivité |
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I. Rayonnement ionisant et non ionisant: définition II. Rappels sur la structure de l'atome III. Isotopes et isobares - noyaux stables et noyaux radioactifs IV. Les différents modes de radioactivité (ou de désintégration) 1. la désintégration bêta moins 2. la désintégration bêta plus 3. la capture électronique (C.E.) 4. l'émission alpha |
5. la désexcitation gamma 6. la distinction entre les rayonnements X et gamma 7. l'intensité d'une émission V. Les lois de la radioactivité 1. la décroissance radioactive 2. la période radioactive : T 3. l'activité : A 4. la relation masse-activité |
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I. Rayonnement ionisant et non ionisant Définition : Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est ionisant lorsqu'il est susceptible d'arracher des électrons de le matière. Pour celà, il est nécessaire que l'énergie individuelle des particules ou des photons soit supérieure à l'énergie de liaison minimale des électrons du milieu considéré. Le tableau suivant résume la valeur minimale d'énergie à apporter pour arracher les électrons liés des principaux atomes constitutifs de la matière biologique. |
| Élément | Energie de première ionisation (eV) |
| carbone | 11,2 |
| hydrogène | 13,6 |
| oxygène | 13,4 |
| azote | 14,2 |
| Les rayonnements ionisants sont de 2 types avec les caractéristiques suivantes : | ||
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Rayonnements directement ionisants |
Rayonnements indirectement ionisants |
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Particules chargées
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Particules non chargées
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Ces particules ionisent indirectement le milieu par l'intermédiaire des particules ionisantes qu'elles mettent en mouvement :
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II. Rappels sur la structure de l'atome Un atome est constitué :
Source : SFEN Au sein de l'atome résident différents types de forces ou interactions qui assurent la cohésion et l'interaction entre les différents constituants de l'atome. La nomenclature d'un atome s'écrit : XZ A
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IV. Les différents modes de radioactivité (ou de désintégration) Le nombre de noyaux stables et de noyaux radioactifs naturellement présents sur la terre est de 300. Ce nombre est porté à environ 2000 à partir des réactions nucléaires effectuées en laboratoire (exemple: le technicium n'a que des isotopes radioactifs). Si l'on reporte sur un graphique le nombre de neutrons (N) en fonction du nombre de protons (Z) déterminant tous les noyaux possible, on obtient le diagramme des nucléides stables et radioactifs. La courbe qui s'écarte de la médiane (N = Z) correspond aux noyaux stables. On remarque donc que ceux-ci sont peu nombreux par rapport à l'ensemble des noyaux possibles. Cette courbe est appelée "ligne de stabilité bêta". La ligne de stabilité ne se poursuit pas au delà du bismuth 20783Bi, puisqu' au delà de ce noyau on ne trouve aucun nucléïde stable. On se rend compte que tout noyau en dehors de cette ligne de stabilité va tendre à devenir stable par un mode ou un autre de transformation ou encore mode de radioactivité ou encore mode de désintégration. Toute désintégration radioactive donne naissance à un élément chimique différent. |
1. La désintégration bêta moins C'est celle que subissent les noyaux qui se situent dans la zone 1 et la partie gauche de la zone 3. Ces 2 zones traduisent un excès de neutrons (exemple: 131I par rapport à 127I stable). Elle s'écrit de la manière suivante : 10n -> 0-1e + 11p + 00ñe Il s'agit de l'émission à partir d'un neutron (10n) :
Le noyau se transforme donc de la manière suivante : AZX -> AZ+1Y + e + ñe C'est une transformation isobarique puisque le nombre de masse A est inchangé. Le diagramme d'énergie de ce rayonnement correspond à une émission selon un spectre avec peu de particules émises avec l'énergie maximale de 1,71 MeV et une énergie moyenne de l'ensemble des particules aux environs de 0,69 MeV, soit le tiers de l'énergie maximale. C'est une radioactivité produite par l'interaction faible. |
2. La désintégration bêta plus C'est celle que subissent les noyaux qui se situent dans la zone 2 où l'on observe un excès de protons (exemple: 124I). Elle s'écrit de la manière suivante : 11p -> 0+1∉ + 10n + 00ne Il s'agit de l'émission à partir d'un proton :
Le noyau se transforme donc de la manière suivante : AZX -> AZ-1Y + ∉ + ne C'est aussi une transformation isobarique. Le diagramme d'énergie de ce rayonnement est aussi un spectre d'émission. Cependant, on remarque qu'un certain nombre de particules sont émises pour les faibles énergies (la courbe démarre à l'origine des 2 axes).En effet, , les particules β+ subissent d'emblée une répulsion dûe aux charges positives des protons du noyaun (à l'inverse des particules β- qui subissent une attraction et nécessitent plus d'énergie pour être expulsées). C'est une radioactivité produite par l'interaction faible. |
3. La capture électronique (C.E.) C'est un autre mode de désintégration que subissent les noyaux qui se situent dans la zone 2 où l'on observe un excès de protons (exemple: 123I et 125I). Elle s'écrit de la manière suivante : 11p + 0-1e -> 10n + 00ne Elle correspond à la capture d'un électron appartenant au cortège électronique par un proton du noyau. Si l'on se réfère à la structure de l'atome de Bohr, la probabilité de capture est plus élevée pour les électrons de la couche K que ceux de la couche L. Le noyau se transforme donc de la manière suivante : AZX + e -> AZ-1Y + ne C'est aussi une transformation isobarique. Les conditions énergétiques recquises pour la C.E. sont moins strictes que pour l'émission β+. Lorsque les 2 modes sont possibles, la C.E. est favorisée pour les atomes lourds. En effet, plus l'élément est lourd, plus le noyau est volumineux (Z élevé). Mais comme le rayon des orbites électroniques est indépendant de Z, les électrons de la couche K sont plus proches du noyau donc plus facilement attractibles. La caractéristique importante de la C.E. est qu'elle s'accompagne d'une émission d'un rayonnement de désexcitation consécutive au réarrangement du cortège électronique (celui-ci se réarrange de proche en proche de manière à combler la lacune électronique). Ce rayonnement de désexcitation est soit l'émission d'un rayon X, soit l'émission d'un électron Auger. Les valeurs d'énergie des rayonnements X sont inférieures à 100 keV (elles dépendent de la valeur du numéro atomique Z par la relation: EX = Z2/100). C'est une radioactivité produite par l'interaction faible. |
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C'est le mode de désintégration que subissent les noyaux lourds qui se situent dans la zone 3 (exemple: 21084Po). Elle s'écrit de la manière suivante : AZX ---> 2 (11p) + 2 (01n) Il s'agit de l'émission de 2 protons et de 2 neutrons qui correspond au noyau d'hélium ou particule α. Le noyau se transforme donc de la manière suivante : AZX ---> A-4Z-2Y + 42He Ce n'est pas une transformation isobarique. Le diagramme d'énergie de ce rayonnement est un spectre de raie. L'émission des particules alpha est d'autant plus énergétique que la période du radionucléide est courte. Le tableau suivant donne les 2 extrèmes: |
| Élément | 21284Po | 23290Th |
| Période* | 3 10-7 s | 1010 ans |
| Eα | 8,95 MeV | 4,28 MeV |
Remarques : a. les périodes diffèrent d'un facteur 1024 alors que l'énergie ne diffère que d'un facteur 2 (la notion de période est définie à la fin de ce cours). b. Pourquoi aucun radionucléide n'émet-il de particules α < 4 MeV ? Une particule α oscille dans un puits de potentiel et heurte la paroi de ce puits. Une partie trés faible, mais non nulle, de l'onde qui l'accompagne traverse la barrière de potentiel par effet tunel. MAIS, pour Eα < 4 MeV, l'épaisseur de la barrière devient trop grande pour que la probabilité de passage ait une valeur sensible. Lors d'une émission α par un noyau de la partie gauche de la zone 3, on aboutit à un noyau qui se situe dans la zone 2 et qui à son tour émet un rayonnement β-. C'est une radioactivité produite par l'interaction forte. |
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La plupart des désintégrations engendrent des noyaux "fils" qui ne sont pas au niveau énergétique le plus bas. Ces noyaux sont dans un état excité (AZX*). Les réarrangements de la structure du noyau qui en découlent correspondent donc à une désexcitation nucléaire: c'est l'isomérisme nucléaire. Elle s'écrit de la manière suivante : AZX* -> AZX + 00γ Il s'agit d'un rayonnement électromagnétique que l'on appelle rayonnement gamma ou photon gamma (00γ). Le rayonnement gamma n'apparaît donc qu'à la suite d'une désintégration (α, β-, β+ et C.E.). C'est une transformation isobarique. Le diagramme d'énergie de ce rayonnement est un spectre de raie. L'énergie du photon γ est égale à l'énergie d'excitation du noyau fils dont il est issu et la gamme d'énergie de ce type de rayonnement est: 60 KeV < Eγ < 3 MeV. C'est une radioactivité produite par l'interaction électromagnétique. |
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L'intensité d'une émission est le nombre de rayonnement d'un type et d'une énergie donnés pour 100 transformations. Exemple: 23290Th
: Eα1 = 4,01 MeV ; Iα1 = 76 %
Cas particulier des rayonnements γ : le retour à l'état fondamental peut s'effectuer en passant par plusieurs états excités et comme les rayonnements γ sont issus des désexcitations qui s'ensuivent, il peut y avoir émission de plusieurs rayonnements γ pour une même désintégration. En conséquence, pour certains radionucléides, en raison de ce phènomène de cascade, la somme des intensités d'émission de tous les rayonnements γ peut être supérieure à 100 %. Exemple: 6027Co
: Eγ1 = 1,17 MeV ; Iγ1 = 100 % |
V. Les lois de la radioactivité. 1. La décroissance radioactive La loi de décroissance des noyaux radioactifs a été établie expérimentalement en 1902 par Ernest Rutherford et Frederick Soddy (prix Nobel de chimie en 1921). Définition : le nombre, dN, de désintégrations nucléaires spontanées qui se produisent dans une quantité donnée de matière pendant un temps infiniment petit, dt, est proportionnel au nombre d'atomes radioactifs (N) et au temps (dt) selon la relation : dN = - λ . N . dt (1) λ est la constante radioactive et c'est une caractéristique du radionucléide. Par intégration, on obtient : Nt = N0 . exp (- λ . t) (2)
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Définition : la période radioactive d'un radionucléide, T, est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs présents initialement se soient désintégrés. Au bout d'un temps t correspondant à une période, T, on a donc : NT = N0 / 2 = N0 . exp (- λ . T) soit : λ . T = Ln 2 => T = 0,693 /λ La période radioactive d'un radionucléide est une caractéristique de celui-ci et sa valeur est extrèmement variable. Exemples : 21284Po (polonium) = 0,3 10-6 seconde 23290Th (thorium) = 1,4 1010 ans |
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Définition : l'activité A d'un radionucléide est le nombre de désintégrations qui se produisent par unité de temps dans une quantité donnée de ce radionucléide. L'unité est le Becquerel (Bq) : 1 Bq = 1 désintégration par seconde. L'ancienne unité encore très utilisée est le Curie (Ci) : 1 Ci = 3,7 1010 Bq L'activité représente donc la vitesse de désintégration du radionucléïde : A = dN / dt Compte-tenu des relations (1) et (2), on obtient : A = λ. N = (0,693 / T) . N (3) On peut ainsi montrer que : At = A0 . exp (- λ . t) Donc l'activité diminue de moitié au bout d'une période. |
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D'après la définition de l'activité, on peut dire que : une activité de 1 Bq est l'activité d'une quantité de radionucléide dans laquelle le nombre moyen de désintégrations par seconde est égal à 1. Donc une activité de 1 Bq correspond à un nombre d'atomes égal à : 1 / λ = T / 0,693 La masse molaire M d'un radionucléide est la masse de N atomes (N = nombre d'Avogadro = 6,02 1023). La masse m des N atomes dont l'activité est A, est alors : M . N Et d'après la relation (3) : M .
N T avec : m et M en grammes, A en Bq et T en secondes. Donc, la masse de radionucléide correspondant à une activité donnée est d'autant plus grande que :
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