GENERALITES SUR LA RADIOACTIVITE

La radioactivité est un phénomène spontané au cours duquel un noyau6, excédentaire en énergie, subit une série de transformations conduisant à l’ émission de particules et de rayonnements électromagnétiques. La première de ces transformations est la désintégration radioactive.

2.1 Désintégration radioactive

L’ instabilité du noyau s’ explique soit par un déséquilibre entre le nombre de protons7 et de neutrons, soit par un excès de nucléons8. La désintégration radioactive a pour but de faire évoluer le noyau vers un état plus stable en modifiant son numéro atomique et donc la nature chimique de l’ atome. On distingue deux types de désintégration [13] :

6 _{« Radionucléide » est le terme générique désignant un noyau radioactif, constitué de Z protons et A-Z neutrons et dont la durée de vie est}

assez longue pour être mesurable (généralement > 10-10 _s). 7

Le nombre de protons est appelé « numéro atomique » (noté Z).

Les désintégrations isobariques sont des transformations à nombre de masse constant. On

rencontre trois cas de figure :

- la désintégration β - : elle est due à un excès de neutrons. Le numéro atomique augmente d’ une unité par conversion d’ un neutron en proton. Cette transformation s’ accompagne de l’ émission par le noyau d’ un électron de charge négative β− (ou négaton) et d’ un antineutrino. - la désintégration β + : elle est due à un excès de protons. Le numéro atomique diminue d’ une unité par conversion d’ un proton en neutron. Cette transformation s’ accompagne de l’ émission par le noyau d’ un électron de charge positive β+ (ou positon) et d’ un neutrino.

- la désintégration par capture électronique ε : elle est également due à un excès de protons mais à la différence de la désintégration β+, la conversion d’ un proton en neutron se fait par capture d’ un électron à partir des couches internes du cortège électronique.

Les désintégrations par partition sont des transformations qui interviennent lorsque le noyau

est à la fois excédentaire en protons et en neutrons. On distingue deux cas :

- la désintégration α : le numéro atomique du noyau diminue de deux unités par expulsion d’ une particule α constituée de deux protons et de deux neutrons (noyau d’ hélium 4).

- la désintégration par fission spontanée : elle intervient lorsque le noyau se sépare en deux fragments massifs (A > 60) ou « produits de fission ».

On caractérise, à un instant t, le taux de disparition d’ une population de N(t) radionucléides, de période radioactive T_1/2, par son activité, notéeA(t)et exprimée en Becquerels9, définie par :

dt t dN t N t A( )= λ ()=− ( )

où λ=(ln2)/T_1/2 est la constante de décroissance radioactive du radionucléide étudié.

2.2 Transformations associées

Dans la plupart des cas, le noyau issu d’ une désintégration radioactive est créé dans un état énergétique excité. Le retour à son état fondamental peut se faire par transition électromagnétique γ et parfois par émission d’ un neutron. Les transitions γ sont de trois types [14] :

- l’ émission γ : le noyau fils se désexcite en émettant un rayonnement électromagnétique γ dont l’ énergie est égale à la différence de niveau de la transition nucléaire. Le retour du noyau excité à un état stable peut se faire par passages successifs entre plusieurs niveaux intermédiaires, conduisant à une émission multiple de rayonnements γ.

- la conversion interne : l’ énergie d’ excitation du noyau fils est communiquée à un électron du cortège électronique de l’ atome. Celui-ci est éjecté en emportant, sous forme d’ énergie cinétique, l’ énergie de la transition moins l’ énergie de liaison de l’ électron éjecté.

- la création de paire : dans certains cas, le rayonnement de désexcitation peut se matérialiser au voisinage du noyau en une paire d’ électrons (un négaton et un positon). Ils emportent, sous forme d’ énergie cinétique, l’ énergie de transition moins 1.022 MeV.

A la suite d’ une conversion interne ou d’ une désintégration par capture électronique, des vacances sont créées dans le cortège électronique de l’ atome. Des électrons des couches supérieures viennent combler ces lacunes, créant alors de nouvelles vacances sur des couches moins liées. Le phénomène se propage jusqu’ en périphérie et s’ accompagne d’ émissions de deux types :

- l’ émission X : l’ énergie libérée par le déplacement d’ un électron d’ une couche à une autre est emportée par un rayonnement électromagnétique de fluorescence X.

- l’ émission d’ un électron Auger : l’ énergie libérée est transférée à un autre électron du cortège moins lié qui est éjecté en emportant l’ énergie d’ excitation moins son énergie de liaison. Généralement, la désintégration radioactive donne lieu à la naissance d’ un noyau « fils » (deux dans le cas d’ une fission spontanée), lui-même radioactif, qui engendre à son tour des radionucléides de « deuxième génération » et ainsi de suite. La désintégration du noyau « père » peut ainsi conduire à une chaîne de filiation radioactive au cours de laquelle des rayonnements sont émis en cascade.

2.3 L’ interaction des rayonnements avec la matière

Les particules émises au cours d’ une désintégration radioactive interagissent différemment avec la matière selon leur charge électromagnétique, leur masse et leur énergie [15] :

- les particules chargées lourdes, telles que les α et les produits de fission, convertissent leur énergie cinétique par interaction coulombienne, en excitant et en ionisant sur leur trajet les atomes de la matière. Du fait du rapport de masse très important avec les électrons, ces particules ne perdent qu’ une faible quantité d’ énergie à chaque interaction et ne sont pratiquement pas déviées de leur trajectoire. Cependant, compte tenu de leur charge élevée, la perte linéique d’ énergie est grande et leur parcours dans la matière est court (quelques µm). - les particules chargées légères, telles que les particules β, les électrons Auger et les électrons

de conversion interne, ont un parcours plus chaotique dans la matière du fait de leur masse égale à celle des électrons des atomes. La perte d’ énergie se fait à la fois par des phénomènes de rayonnement de freinage « Bremsstrahlung », lors des changements de direction qu’ elles subissent, et à la fois par des processus d’ excitation ou d’ ionisation des atomes de la matière. Du fait de leur masse et de leur charge beaucoup moins importante que pour des particules lourdes, leur parcours dans la matière est plus grand (plusieurs mm).

- les neutrons, du fait de leur charge nulle, n’ interagissent qu’ avec les noyaux des atomes du milieu traversé. Ils subissent des diffusions inélastiques ou élastiques (avec ou sans perte d’ énergie dans le système du centre de masse), ou des réactions nucléaires et (n,γ) qui donnent naissance à des particules chargées lourdes.

- les rayonnements photoniques X et γ transfèrent leur énergie au milieu traversé par trois types d’ interaction : l’ effet photoélectrique (l’ énergie est intégralement transférée à un électron d’ un atome du réseau), la diffusion Compton (le photon incident est dévié par un électron d’ un atome du réseau auquel il transfère une partie de son énergie) et la création de paire (matérialisation de l’ énergie du photon sous forme d’ un couple de négaton-positon). Leur proportion dépend de l’ énergie du rayonnement et du numéro atomique du milieu.

Les techniques de mesure par spectrométrie X et γ sont rendues possibles grâce à ces effets d’ interaction des rayonnements photoniques avec la matière.