Introduction à la radioactivité Chapitre-1

Introduction à la radioactivité Chapitre-1

Prof. FASSI Farida

Faculté des Sciences de Rabat

Physique Nucléaire –SMP S5

Découverte de la radioactivité (1/2)

• La physique nucléaire a vu le jour en février 1896 avec la découverte de la radioactivité laquelle avait été préparée par la découverte des rayons X

• En 1895: la découverte des rayons X par le physicien allemand Röntgen

• En frappant parois en verre d’un tube à décharge, électrons le rendaient fluorescent

• émission nouveau type de radiation

• la fluorescence ne peut pas être due aux rayons cathodiques

Aperçu historique

v Röntgen conclut qu’il vient de découvrir un rayonnement distinct de celui émis par la cathode,

v très pénétrant puisqu’il est capable de traverser la matière.

v Ces rayons étant inconnus jusqu’alors, il les nomme « rayon X » Premier cliché radiographique

Découverte de la radioactivité (2/2)

• Un jour de 1896, Henri Becquerel range dans son armoire un sachet de sels d'uranium à coté d'une plaque photographique vierge.

• Quelques jours plus tard, il retire la plaque et il la développe. Il constate que la plaque photo est impressionnée sans avoir été exposée à la lumière.

• Après avoir renouvelé cette expérience, il en conclut que l'Uranium émet un rayonnement spontané qu'il nomme "rayons uraniques”

Aperçu historique

• En 1898, Marie Curie découvre que la Pechblende, un minerai d'uranium, émet davantage de rayonnements que l'uranium lui-même.

• Elle en déduit que ce minerai contient, en très petite quantité, un ou plusieurs éléments beaucoup plus actifs que l'uranium.

• A l'aide de son mari Pierre Curie, et après deux ans d'effort, elle parvient à isoler deux nouveaux éléments:

• Le Polonium (Po) et le Radium (Ra)

Radioactivité due à un processus inconnu

v1 gramme de Radium dégage 10⁵ fois la puissance dégagée

lors de n’importe quelle réaction chimique

vfacteurs influençant; réactions chimiques aucun effet sur la radioactivité vAtomes manifestaient la même radioactivité indépendamment de leur état

chimique

vQuelle est la source de la radioactivité?

v Les découvertes de l'électron par Thomson, puis celle du noyau par Rutherford

vbouleversèrent non seulement la vision des choses, mais aussi les lois de la physique appliquées à l'infiniment petit

Découverte de l'électron

vEn 1897, Thomson découvre le premier composant de l'atome vl'électron, particule de charge électrique négative.

vEn 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thomson".

vThomson imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons

négatifs.

Joseph John Thomson

v En 1911, Rutherford propose un modèle planétaire de l’atome ; v Il compare l’atome au système solaire:

v l’atome est constitué d’un noyau, autour duquel gravitent les électrons.

v Le noyau est environ 10⁵ fois plus petit que l’atome, donc l’atome est essentiellement constitué de vide.

v Il a fallu attendre le modèle atomique de Rutherford pour comprendre que

v le noyau était la source de la radioactivité

v Physique nucléaire

Découverte du noyau

Les différents modes de radioactivité

vRayonnement trouvé par Becquerel à baptisé α par Rutherford

vEn étudiant les proportions des émissions radioactives capable de traverser un obstacle Rutherford trouva qu’il y avait différents types d’émissions radioactives:

v Classement de ces emissions par leur pouvoir de pénétration, leur masse et leur charge électrique

v Radioactivité:

v émission spontanée de

rayonnement corpusculaire ou électromagnétique par un noyau

Rappel: structure du noyau

vLe noyau est constitué de particules appelées « nucléons »

vLes nucléons sont de deux types : les protons et les neutrons vLe nombre de nucléons est noté A,

von l’appelle aussi le nombre de masse.

vLe nombre de protons que contient le noyau est noté Z.

vOn l’appelle le numéro atomique ou le nombre de charges.

vLes deux nombres A et Z suffisent pour caractériser un noyau.

vLe nombre de neutrons vaut :N = A – Z Symbole de nucléide

Classification des noyaux

vIsotopes: Des noyaux possédant le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons

vIl existe environ 350 noyaux naturels et plus de 2500 noyaux artificiels obtenus en laboratoire.

vLes isotopes de carbone:

vRemarque :Deux atomes sont:

visotopes: le même Z mais un A différent visobares: le même A mais un Z différent visotones: le même N mais un Z différent

v Un élément donné possède en général au moins un isotope stable, et plusieurs isotopes radioactifs

vPar exemple, on connaît 15 isotopes de l'oxygène (de A = 12 à A= 26), mais seuls

16O, ¹⁷O et ¹⁸O sont stables

vTous les éléments de Z = 1 à Z = 83 (sauf Z = 43 et Z = 61) possèdent au moins un isotope stable, et donc sont présents sur la Terre

vCeux de Z = 84 à Z = 92 sont radioactifs, mais encore présents sur la Terre

vLes éléments avec Z > 92 n'existent pas naturellement, mais ils ont été fabriqués et étudiés par l'homme

vPour résumer la situation, environ 300 nucléides sur les 3 000 connus sont stables

Classification des noyaux

Arrangement des nucléons au sein du noyau

vForces nucléaires

vInteraction gravitationnelle:

vnégligeable vInteraction forte

vattractive

vRayon d’action : 10^-15m

vS’exerce entre tous les nucléons (n-n, p-p, n-p) vParticules messagères : gluons

vResponsable de la cohésion atomique

vInteraction faible

vTrès court rayon d’action

vEntre tous les nucléons (n-n, n-p, p-p) vParticules messagères : bosons

vResponsable de l’incompressibilité de la matière nucléaire

vResponsable de la radioactivité béta

vInteraction électromagnétique vRépulsives

vRayon d’action > 1,2 fermi (10^-15m) vS’exerce entre particules chargées (p-p) vParticules messagères : photons

Interprétation de la radioactivité

vAu sein du noyau 3 forces interviennent :

1) l'interaction forte : attractive, agit à très faible distance 2) l'interaction électromagnétique : répulsive entre protons 3) l'interaction faible : ni attractive, ni répulsive

v Trois types de forces entrent en compétition dans le noyau. La principale est l´interaction nucléaire ou forte qui assure la cohésion des noyaux car est attractive

v La seconde est répulsive mais moins intense

v La troisième force provoquant la radioactivité bêta

v Elle agit à l’intérieur même des nucléons. Elle transforme une espèce de nucléon (proton ou neutron) dans l’autre espèce et vice-versa

v La stabilité ou l'instabilité d'un noyau sont le résultat de la compétition entre ces trois interactions

Interprétation de la radioactivité

vLes caractéristiques des forces électromagnétique et forte expliquent la stabilité des petits noyaux par rapport aux grands

vDans certains cas, l’interaction forte est insuffisante pour assurer la cohésion du noyau.

v Noyaux instables

v Celui-ci, instable, se transforme spontanément en un autre noyau en émettant des

v rayonnementsà Noyaux instables vNoyaux stables

vAucune radioactivité

vNucléons forment un état lie;

vCohésion du noyau due à la force nucléaire

Diagramme de stabilité des nucléides

Résumé

vDans les petits noyaux, il y a une tendance à la symétrie:

vle nombre de protons est égal au nombre de neutrons pour les noyaux stables vUn noyau est instable

vs’il possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons vs’il possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons vs’il possède trop de protons et trop de neutrons

vIls se désintègrent spontanément, on dit qu’ils sont radioactifs

vCe sont des radionucléides

Unités en physique nucléaire

Dimensions

vLe rayon d’un noyau

vL’analyse de Rutherford a permis d’établir que le noyau a un rayon voisin de 10^-14 m

vDes expériences plus élaborées ont permises de démontrer qu’il existe un lien entre leur rayon R et le nombre de masse A :

v Le diamètre du noyau est d'environ 10^-15 à 10^-14 m,

v c'est-à-dire que le noyau est cent mille à un million de fois plus petit que l'atome v L’atome, a son état fondamental, est stable et

électriquement neutre:

Unité de masse atomique

vLes masses des particules élémentaires : électron, proton, neutron, ne sont pas du tout à notre échelle:

v Choix d’une unité de masse mieux adaptée que le kg (SI):

v Définition : L’unité de masse atomique est symbolisée par "u." et c’est par

convention, le douzième de la masse de l’isotope le plus abondant du carbone (¹²C)

Énergie

vL' énergie est associée à une grandeur physique dont l'unité légale est le joule vPhysique nucléaire: unité de l’énergie SI (joule) inadaptée

v

vénergie cinétique d’un électron sous une différence de potentiel de 1 volt

Unités dérivées:

Relativisé: Relation fondamental

entre MASSE et ÉNERGIE

E = m.c²

vEinstein a montré (1905) que la masse constitue une forme d’énergie appelée énergie de masse. La relation entre la masse (en kg) d’une particule, au repos, et l’énergie (en J) qu’elle possède est:

v Pour un corps immobile, son énergie est égale à m.c²

v Pour un corps en mouvement, l'énergie du corps augmente. Elle croit sans limite au fur et à mesure que l'on s'approche de la vitesse de la lumière.

Avec v, la vitesse du corps (de la particule), la formule donnant l'énergie devient:

v

𝑬 = 𝜸. 𝒎. 𝒄^𝟐= 𝟏 𝟏 − 𝒗^𝟐

𝒄^𝟐

𝒎. 𝒄^𝟐

Equivalence masse - énergie

vLa masse du noyau (M) est reliée à son énergie interne par la relation d'Einstein. Elle détermine sa stabilité. E = Mc²

Énergie de liaison et défaut de masses

vL’énergie de liaison E_l est l’énergie qu’il faut fournir au noyau

d’un atome, au repos, pour le dissocier en ses nucléons constitutifs (tous les protons et neutrons sont séparés) au repos.

vCette grandeur est toujours positive, car l’interaction forte entre nucléons est attractive

Énergie de liaison et défaut de masses

v On appelle défaut de masse la grandeur ∆m, différence entre la somme des masses des constituants, et la masse du noyau :

v Ce défaut de masse correspond à la transformation d’une partie de la masse des nucléons en énergie de liaison des nucléons suivant la relation d’Einstein:

v Energie de liaison E_l est équivalente au défaut de masse

Énergie de liaison par nucléon: Courbe d'Aston

vDéfinition: l'énergie de liaison par nucléon d'un noyau notée E_l est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de ses nucléons A

vPlus l’énergie de liaison par nucléons E_l/A est élevée plus le noyau est stable.

v L’énergie de liaison par nucléons est de l’ordre de 8 MeV/nucléon pour la grande majorité des noyaux.

v La courbe d’Aston représente l’opposé de l’énergie de liaison par nucléon (–E /A) en fonction du

La courbe d’Aston

v Les noyaux les plus stables sont situés dans la partie basse de la courbe d’Aston

v Pour gagner en stabilité, la fission d’un noyau lourd, ou bien la fusion de deux

Les différentes unités

vMasse d’un noyau et Masse d’un atome ^{v avec E}l,e ~ quelque eV – quelque keV négligeable para rapport au Zm_ec²

v énergie de liaison d’un noyau B(A,Z) = E_l

énergie nécessaire pour séparer les nucléons :

v En combinant les Z électrons avec les Z protons, on fait apparaitre Z atomes ¹H