Cours 1 : La radioactivité

Physique Nucléaire

Cours 1 : La radioactivité

François Forme ([email protected])

0. Plan

1. Atome et noyau.

2. Stabilité du noyau atomique 3. La radioactivité

1. Définition 2. Propriétés

3. La radioactivité  4. La radioactivité 

5. La radioactivité 

6. Désexcitation

4. Décroissance radioactive

1. La loi de décroissance radioactive 2. La demi-vie

5. Activité radioactive

1. Atome et noyau

• Un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons

• l’ordre de grandeur du rayon de l’atome est de l’ordre de 10^-10 m

• Le noyau est constitué de particules appelées nucléons : neutrons et protons.

• L’ordre de grandeur du rayon du noyau est de 10^-15 m

1. Atome et noyau

AX La représentation symbolique du noyau d'un atome est : Z

• X est le symbole de l'élément chimique

• Z est le nombre de protons, appelé numéro atomique

• A est le nombre de nucléons, aussi appelé nombre de masse

• N = A - Z est le nombre de neutrons

Des noyaux sont appelés isotopes si ils ont le même nombre de protons Z mais des nombres de nucléons A différents.

• et sont deux isotopes du Clore

Composition d’un morceau de graphite :

• 98,9 % de

• 1,1 % de

• Traces de

35CL

17 ³⁷₁₇CL

12C

6 13C

6 14C

6

1. Atome et noyau

2. Stabilité du noyau atomique

Dans un noyau atomique, il existe

• des forces électrostatiques répulsives entre les protons

• des forces nucléaires attractives d'interaction forte à courte portée (10^-15 m) entre les nucléons qui assurent la cohésion de certains noyaux.

C’est l’équilibre entre ces différentes forces qui détermine la stabilité du noyau.

2. Stabilité du noyau atomique

• Un noyau est stable si il reste identique à lui-même au court du temps.

• Un noyau est instable ou radioactif si a un moment donné il peut évoluer spontanément vers une forme stable (ou plus stable) en émettant un rayonnement (radioactivité  ou ) ou en se scindant en deux fragments (fission spontanée)

Un noyau instable est un noyau qui possède :

• Trop de protons

• Trop de neutrons

• Trop de nucléons

2. Stabilité du noyau atomique

• Une zone centrale rouge appelée vallée de stab i lité est constituée des noyaux stables. On note que pour Z < 30 les noyaux stables sont situés près de la première bissectrice, où N = Z.

• Une zone jaune où se situent des noyaux

donnant lieu à une radioactivité de type . Ce sont des noyaux lourds ( A est grand).

• Une zone bleue où se situent des noyaux

donnant lieu à une radioactivité de type  -. Ce sont des noyaux qui présentent un excès de neutrons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A.

• Une zone verte où se situent des noyaux

donnant lieu à une radioactivité  +. Ce sont des noyaux qui présentent un excès de protons par rapport aux noyaux stables de même

nombre de masse A. Les forces électrostatiques entre protons sont plus fortes que les forces nucléaires entre nucléons.

3. La radioactivité

• 3.1 Définition :

Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration provoque l'apparition d'un nouveau noyau, l'émission d'une

particule notée , - ou et fréquemment l’émission d’un rayonnement électromagnétique noté .

La radioactivité est une réaction dite nucléaire car elle concerne le noyau de l'atome par opposition aux réactions chimiques qui ne concernent que le cortège électronique sans modifier le noyau.

3. La radioactivité

• 3.2 propriétés :

• La désintégration radioactive est aléatoire.

• Elle est spontanée, elle se produit sans aucune intervention extérieure.

• Elle ne dépend ni de son environnement chimique, ni des conditions extérieures (pression ou température)

• Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons.

238U

92 ²³⁴₉₀ Th ⁺⁴₂ He

3. La radioactivité

• 3.3 La radioactivité  :

• La radioactivité  correspond à une désintégration

accompagnée de l’émission d’un noyau d’hélium appelé particule .

• Exemple : Po²¹⁰₈₄ ²⁰⁶₈₂ Pb ⁺⁴₂ He

4 He

2

3. La radioactivité

• Les particules sont directement ionisantes mais peu pénétrantes

• Elles sont arrêtées par une feuille de papier et par une épaisseur de quelques centimètres d’air.

• Elles pénètrent la peau sur une épaisseur de l’ordre de quelques micromètres.

3. La radioactivité

• 3.4 La radioactivité ^ :

• La radioactivité ^ correspond à une désintégration

accompagnée de l’émission d’un électron appelé particule ^.

• Exemple :

60Co

27 ⁶⁰₂₈Ni ⁺ _-1⁰e

3. La radioactivité

• remarque:

• Il n'y a pas d'électron dans le noyau, mais le noyau peut en émettre en transformant un neutron excédentaire en un électron et un proton suivant le bilan :

• Les particules ^- sont assez peu pénétrantes. Elles sont arrêtées par quelques millimètres d'aluminium.

1 n

0 ¹₁ p ⁺ _-1⁰e

3. La radioactivité

• 3.5 La radioactivité ^ :

• La radioactivité ^ correspond à une désintégration

accompagnée de l’émission d’un positon appelé particule ^.

• Exemple :

30P

15 ³⁰₁₄ Si ⁺ ₊₁⁰e

3. La radioactivité

• remarque:

• Cette radioactivité ne concerne que des noyaux artificiels, obtenus par des réactions nucléaires, qui possèdent trop de protons

• Ces particules ont une durée de vie très courte car lorsqu'elles rencontrent un électron, les deux particules s'annihilent pour donner de l'énergie sous forme d'un rayonnement

électromagnétique  suivant le bilan :

0e

1 ⁺ _-1⁰e ^

3. La radioactivité

• 3.6 La désexcitation  :

• Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité (niveau d'énergie élevé), il est noté Y*. Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique  (particules très

énergétiques appelées photons)

• Le rayonnement  accompagne les rayonnements , ⁺ et ^-

4. Décroissance radioactive

• 4.1 Loi de décroissance radioactive :

• On considère un échantillon contenant N noyaux radioactifs à un instant t .Ce nombre est noté N₀ à l'instant t₀ = 0 s pris

comme instant initial.

• Pendant une durée t très brève, un certain nombre de noyaux radioactifs se sont désintégrés.

• Soit N+N le nombre de noyaux radioactifs non désintégrés à la date t+t. (N < 0 car N diminue )

• Le nombre moyen (phénomène aléatoire) de noyaux désintégrés pendant la durée t est : N_t - N_t+t = N - (N + N) = - N > 0

4. Décroissance radioactive

• Le nombre moyen de désintégrations(N) pendant la durée t est proportionnel :

• Au nombre N de noyaux radioactifs présents dans l'échantillon à la date t.

• A la durée t.

• On a donc : - N = .N.t où  est la constante radioactive, caractéristique d'un radioélément.

 s'exprime en s^-1, min^-1, h^-1, jour^-1 ou an^-1.

4. Décroissance radioactive

• Exemples de constantes radioactives :

Noyau radioactif

Uranium 238

Carbone 14 Césium 137 Iode 131

Constante radioactive

1.5 10^-10 an ^-1 1.2 10^-4 an ^-1 2.3 10^-2 an ^-1 8.5 10^-2 jour^-1

• l’inverse de la constante radioactive est une durée. On défini comme la constante de temps.

   ¹

4. Décroissance radioactive

• la fonction qui vérifie : N = - .N.t s’écrit

e

N t

N ( ) 

• N₀ est le nombre de noyaux radioactifs à l’instant initial.

4. Décroissance radioactive

• 4.2 Demi-vie radioactive :

• La demi-vie radioactive (ou période), notée T ou t_1/2 est égale a la durée nécessaire pour que, statistiquement, la moitié des

noyaux radioactifs de l’échantillon se désintègrent : N(t+ t_1/2 )=N(t)/2

• On montre que : t_1/2 = ln2/

4. Décroissance radioactive

Le Plutonium 240 (période 6560 ans) se désintègre en Uranium 236 (23,42×10⁶ ans), lequel se désintègre à son tour en Thorium 232 pratiquement stable

(14,05×10⁹ ans)

5. Activité radioactive

• L’activité radioactive, A, est égale au nombre moyen de désintégrations par seconde.

• L’activité s’exprime en Becquerels (Bq). 1 Bq=1 désintégration par seconde.

• Le curie (Ci) est aussi une unité d’activité (1 Ci=3,7 10¹⁰ Bq)

Source 1 L H2O

1 kg

Granit Homme

1 kg

uranium

1 g

plutonium

Activité(Bq) 10 1000 10 000 25 10⁶ 2 10⁹

5. Activité radioactive

• L’activité radioactive suit la loi :

e

N t

A ( )  