c}; GUIDE POUR ENSEIGNP~NTS

c}; GUIDE POUR ENSEIGNP~NTS

Chapitre 18

CHIMIE NUCLEAlRE

par E. BRODA

Departement de Radiochimie, Institut de Chimie Physique Universite de Vienne, Autriche

Nous emploierons ici le terme de «chimie nucleaire » pour designer les differents processus par lesquels les proprietes de la matiere se modifient

a

^Ia

suite des reactions nucleaires et des phenomenes resultant de ces reactions.

CÖ)lSTITUTION DU NOYAU

Les theories actuelles sur Ia structure interne de l'atome ont ete developpees, juste avant Ia premiere guerre mondiale, par deux physiciens travaillant

a

Ylanchester: Ernest Rutherford (un Neo-Zelandais) et Niels Bohr (un Danois).

D'apres ces theories, on peut se representer chaque atome comme une sorte de systeme planetaire en miniature. Au centre de l'atome se trouve un noyau charge positivement, autour duquel circulent des electrons charges negati- vement. La force qui retient les electrons dans I'atome est l'attraction eIectro- statique (force de Coulomb) alors que dans Ie systeme solaire les planetes sont, on Ie sait, retenues par la gravitation.

La charge positive du noyau est entierement due aux protons qu'il contient.

Chaque proton possede une charge elementaire (1,6' 10-¹⁹ coulomb); Ie nombre de charges elementaires (<< nombre de charge ») d'un noyau donne indique immediatement Ie nombre de protons qui s'y trouvent. La charge de chaque electron est egale en grandeur

a

celle d'un proton, mais elle est negative.

Par consequent, un atome electriquement neutre contient autant d'electrons que de protons; le nombre d'electrons dans un atome neutre est determine par le nombre de charge du noyau. Chadwick,

a

Cambridge, decouvrit par la suite (1932) que les noyaux atorniques contiennent egalement, en plus des protons, des particules electriquement neutres, les neutrons, qui n'ont prati- quement aucune interaction avec les electrons. On donne aux deux sortes de particules contenues dans les noyaux (protons et neutrons) Ie nom d'en- semble de «nucleons ». Le nombre de nucleons

a

l'interieur d'un atome est appele « nombre de masse ».

On peut admettre que les possibilites d'interaction chimique d'un atome neutre avec d'autres atomes - ou encore les proprietes chimiques de cet atome - sont determinees principalement par le nombre des electrons qu'il contient et donc, en fin de compte, par le nombre de charge du noyau. En raison de l'importance primordiale de la charge dans le comportement de l'atome, le nombre de charge est egalement conn'.! sous l'appellation de« nombre

345

wm

iI

I

\ I

I I

I I

I I

I

atomique ». Il existe donc autant de sortes d'atomes dont le comportement, chimiquement parlant, est different, qu'i{ existe de nombres de charge differents parmi les noyaux, autrement dit de nombl'es atomiques. (Cet enonce appellera par la suite quelques precisions.) Par exemple, tous les atomes ayant le nombre de charge I (un proton dans le noyau) se comporteront d'une fa<;:on identique, c'est-a-dire de la meme maniere que les atomes de l'element «hydrogene».

De meme, nous constatons que l'elemerIt h6lium est constitue par les atomes ayant le nombre de charge 2. Le nombre de charge du fer est 26 et celui de l'uranium 92. L'uranium est, des elements natureIs, celui dont le nombre

atomique est le plus eleve. ' .

Bien qu'il ne soit pas important de n:f:!Hcrlsc{ des valeurs exactes, il est neanmoins utile de comparer les masses des constituants ultimes des atomes.

Les masses des deux sortes de nucleons sünt sen~iblement les memes, le neutron etant seulement de 0,13

%

plus lourd que Ie proton. Pllr contre, le proton est 1.836 fois plus lourd que l'electron. La masse de l'atome est donc presque entierement concentree dans le noyau. Il est encore impoTtant de souligner que les particules n'occupent en realite qu'une partie infime du volume total de l'atome. Le rayon d'un noyau se situe (seion le nombre de nucleons, c'est- a-dire le nombre de masse) entre 1,42' 10-¹³ em (proton) et 6,5' 10-¹³ cm.

On comparera ces chiffres avec le rayon d'un atom,,:, tel l'hydrogene, qui est de 0,53 . 10-⁸ cm et qui, par consequent, est

a

peu pres 38.000 fois plus grand que le rayon du noyau. Ce rapport se retrouve d'ailleurs qualitativement pour les autres elements.

Par consequent, tous les atomes peu'.'ent elre decrits comme comprenant surtout du vide bien que, dans les theories physiques modernes, cette assertion ne soit pas consideree comme parfaitement exactc. D'autre part, on peut se convaincre que la densite du noyau est incr·,..y?blement elevee. A partir du rayon (1,42' 10-¹³ cm) et de la masse (l,67 . 10-²⁴ g) du proton, on caIcule aisement que la densite en est environ 1,4' lOH fois plus grande que celle de l'eau.

P ARTICULES tLEMENTAIRES

En plus des particules deja mentiollnees (proton, neutron, 61ectron), les physiciens ont decouvelt depuis 1930 d'autres particules elementaires - parmi lesquelles les differentes sortes de « mesons» - au cours de recherches experimentales effeetuees sur les rayons cosmiques ou les faiseeaux de grands accelerateurs nucleaires. Certaines de ces padcules ont une charge elementaire positive ou negative, d'autres sont electriquement neutres. La duree de vie en est tres breve: au bout d'une infime ffaction de seconde elles se transforment spontanement en produisant des particules stahles (protons, electrons, neutrinos et photons) ou presque stables (neutrons).

On ne dispose encore d'aucune theorie qui explique pourquoi les masses des differentes partieules elementaires possedent les valeurs particulieres indiquees sur le tableau 1.

Les photons, c'est-a-dire les quanta de radiation electromagm!tique (lurniere visible, ultraviolet, rayons X, ete.) sont egalement eonsideres eomme des particules elementaires. Ils se deplacent, dans le vide,

a

une seule et meme vitesse (e = 3 . 10¹⁰ ern/sec), ils ne portent pas de charge.

La masse et l'energie d'un photon sont liees par la relation generale d"Einstein:

E= me² 346

TABLEAU 1. QUELQUES PROPRIETES DES PARTICULES ELEMENTAIRES LES PLU~ IMPORTANTES

Particule

Masse relative approximative*

(masse du proton = 1)

I Charge , relative (charge du proton

= ^J)

Periode

- - - , - - , , - - Proton ... ; ... ⁱ

Neutron ... ¹ Electron (negatif) ... '\' El:ctro~ (positif) ... . Meson .. (neutre) ... ' .... , Meson -:: (positif) ...

i

Neutrino ... ¹ Photon ... !

1 1,0013 0,000 544 7 0,000 544 7 0,3782 0,3659

o

(probablement)

o

-:-1

o

-1 +1

o

+1

o o

stable 17 min stable stable

< 10-^J5 sec 2,6' lO-^R sec

stuble stable

• Les masses donnees se rapportent ä des particules lihres au repos. La theorie de 1a relativite montte qu'en [ait la masse est fonction de la vitesse de la partieule (Einstein).

---,---

L'cnergie est elle-meme determinee par la frequence v de la radiation seion la loi decouvertl: en 1900 par Max Planck

a

Berlin:

E = hv

Du fait que la frequence et la longueur d'onde ), sont universelbment reliees par:

C = AV

la loi de Planck peut egalement s'ecrire:

et la loi d'Einstein:

E= hc A

m=--AC h

Ainsi la masse d'un photon anime de la vitesse caracteristique c n'a pas ~ne

valeur unique; elle est fonction de la frequence ou, ce qui revient au ffieme, de la longueur d'onde.

Celles des particules elementaires qui ont une vie moyenne breve ne peuveni:

eire considert!es comme des constituants normaux des atomes, au meme ti!re que les nuc1eons et les electrons. En generalle professeur de chimi: pourra se dispenser d'en decrire la nature ou le röle physique.

FORCES NUCLEAIRES

De quelle fa~on les composants du noyau sont-ils maintenus r6unis, quelle est la nature du ciment nucleaire? Alors que les electro~s sont retenus dans l'atome par des forces electriques (forces de Coulomb), il est cL!:r q'!'cn ne peut invoquer de telles forces pour expliquer l'attraction mutuelle des nucleons. Du fait de leur neutralite, les neutrons ne peuvent exercer aucune force e1ectrique. Les protons, qui possedent tous des charges de meme signe (posi- tives), ne peuvent que se repousser mutuellement. Neanmoins les forces ·ie cohesion (liaison)

a

l'interieur du noyau sont tres fortes. Des valeurs numeriques sero nt donuees plus loin.

, Le professeur doit insister sur l'existence et l'importance de ces forces specifiquement nucleaires et souligner leur caractere non electrique.

Bien qu'il soit tres difficile d'en expliquer l'origine, le professeur doit exposer 347

clairement les principes en cause. La physique theorique enseigne que l'attrac- tion nucleaire (cohesion nucleaire) se produit par le truchement des mesons ~.

Tous les nucleons ont tendance a emettre des mesons ^7':. A peine emis, le meson (positif ou neutre) est reabsorbe par le nucleon generateur ou capture par un nucleon voisin. Le transfert d'un meson neutre ne modifie pas Ia nature des nucleons en jeu, mais, a Ia suite de Ia perte d'un meson positif, un proton se transforme en neutron, et par absorption d'un tci meson, un neutron se convertit en proton. Dans cet echange entre Ies nucI6ons, le meson agit comme une sorte de pont ou de ciment; Ies caIculs de la physique theorique montrent qu'une attraction intense resulte de ce type d'interaction: cette attraction est independante de la charge du nucleon.

On verra par la suite que les forces electrostatiques de repulsion entre

!es protons, qui se superposent aux forces specifiquement nuc!e~j,,"es, peuvent affecter d'une maniere assez marquee les proprietes des noyaux, particuliere- ment pour ceux qui possedent une charge elevee.

UNITES D'ENERGIE EMPLOYEES EN CHIMIE NUCLEAlRE

L'energie necessaire a separer ou a arracher un electron d'un atome est souvent faible. On appelle cette energie «energie d'ionisation) du fait que, dans ce processus, l'atome est transforme en un ion positif. Dans le cas, par exemple, .de certains atomes (rubidium ou cesium), l'energie re!ativement modeste d'un photon du visible suffit

a

produire l'ionisation: le phenomene s'appelIe dans ce cas l'effet photo-electrique, il est utilise dans les celIules photo-eIectriques. Dans d'autres cas, il se trouve que I'energie necessaire est beaucoup plus importante; cela se produit en particulier pour Ies eJectrons gravitant dans les couches internes, c'est-adire dans les orbites procIles du noyau.

Quoi qu'il en soit, l'energie de liaison des electrons dans les atomes est toujours beaucoup plus faible que l'energie de liaison des nucleons dans les noyaux;

cela montre bien que les forces d'attraction a l'interieur des noyaux sont yeritablement intenses.

Po ur mesurer l'energie necessaire a arracher un nucleon d'nn noyau (renergie de liaison de ce nucleon), il est commode d'utiliser une unite appro- priee. Pour les etudes nucIeaires, l'unite generalement utilisec C5t «l'electron-

\olt» (eV). Cette unite €..st definie comme l'energie cinetique qu'une particule portant une charge elementaire acquiert apres acceleration par un champ electrique sous une tension de 1 V. La nature de la particule est sans importance du fait que Ie gain d'energie ne depend que de Ia charge: Ia p~lticule peut etre, par exemple un electron ou un proton. Le choix de cettc unite s'explique par le fait que tres frequemment, dans Ies experiences atomiques et llucIeaires, des particules portant une charge elementaire sont soumises ades champs electriques. Dans un tube a rayons X par exemple, les electrons sont acceleres entre l'electrode negative (cathode) et l'electrode positive (anode ou anticathode).

L'electron-volt est, pour ainsi dire, une «unite atomique}) d'energie, definie par l'acceleration de particules isolees. Par consequent, lorsqu'on passe aux unites macroscopiques basees sur le comportement de quantites visibles eI ponderables de matiere (erg, kcal), on doit utiliser des facteurs de conversion numeriquement eIeves.

I eV

=

1,6 . 10-¹² ergs

=

3,82' 10-²³ kcaI

En tenant compte du nombre d'Avogadro donnant Ie nombre d'atomes dans une mole, on trouve que:

1 eVjatome

=

3,82' 10-²³,6,02 .10²³

=

23 kcaljmole 348

3

Dans la pratique, on utilise souvent des multiples de l'electron-volt, a savoir le keV (kiloelectron-volt, 1000 eV) et le MeV (megaelectron-volt, 10⁶ eV).

ENERGIE DES REACTIONS NUCLEAIRES

On montre experimentalement que l'energie de liaison des nucleons

a

l'interieur des noyaux est de I'ordre de 8 MeV; cette valeur presente cependant des ecarts appreciables dans beaucoup de cas. Par exemp[e, une reaction nucleaire bien etudiee consiste en l'absorption d'un neutron par le noyau d'un atome d'hydrogene ordinaire. On verra, par la suite, que dans cette reaction il y a formation d'un atome de deuterium (hydrogene lourd). L'energie de cette reaction, qui est evidemment egale a l'energie de liaison du neutron a I'interieur du noyau d'un atome de deuterium,est de 2,2 MeV/atome.

n

ne s'agit pas d'une energie exceptionnellement 6levee pom une reaction nucleaire; elle est cependant enorme si on la rapporte

a

une mole, comme on le fait pour les reactions chimiques. En multipliant par le nombre d'Avogadro (6,02' 1023), on trouve que l'energie de liaison de 2,21\1cV par atome correspond

a

une energie de liaison de 1,3 . 10³⁰ eV = 5· 10⁷ kcal par mole d'hydrogene atomique. Eil comparant cette energie a celle des plus puissantes reactions chimiques (exothermiques) on voit qu'il s'agit d'un tout autrc ordre de grandeur.

C'est dans cette prodigieuse puissance que resident a la fcis les promesses et les menaces de I'energie atomique (qu'il serait d'ailleurs plus \!xact d'appeler l'energie nucleaire).

L'eIement hydrogene, par exemple, ne libere que 28,9 kcal par mole (1 g) d'hydrogene atomique lorsqu'on le combine chimiquement avt:!c l'oxygene POUf

former de la vapeur d'eau (<< combustion» de l'hydrogenel . Ainsi la combi- naison de l'hydrogene ordinaire avec les neutrons dans un..;~ ceaction nucleaire donne (par gramme de «combustible ») pres de 2 miilions de foif: plus d'energie que la combustion de la meme quantite d'hydrogene dans une reaction chimique.

La chaleur de formation du deuterium (5' 10⁷ kCdlfmole) est egale a 5· 10⁷/2,4' 10-¹¹ ~ 2,1' 10¹⁸ erg/mole. Selon la loi d'Einstein (page 346), cela correspond

a

un «defaut de masse}) E/c² de 2,1 . iO^l8j9' 10²⁰

=

0,0023 g (a peu pres 0,1

%) -

c'est une quantite mesurable. En revanche, la diminution de masse dans la combustion de l'hydrogene, qui est deux millions de fois plus faible, se situe actuellement au-dela de toute possibilite de mesure.

EQUATIONS DE REACTIONS NUCLEAlRES

La formulation des reactions nucleaires necessite une nomenclature speciale. On convient d'ajouter au symbole chimiquf." b~ituel un indice superieur indiquant le nombre de masse, et un indice inf6rieur indiquant le nombre de charge du noyau. (Ce dernier indice est en !2.1t supc::rflu car le no mb re de charge est, de toute fa90n, determine par la nature dlimique de l'element et reciproquement.) Ainsi les atomes de l'hydrogene ordinaire ou leger (pro- tium) sont designes par le symbole \ H et ceux de I'hydrogem: l.ourd (deuterium) par ₂₁ H. L'absorption (capture) de neutrons par l'hydrogene ordinaire (la reaction des noyaux de l'hydrogene leger avec les neutrons) est par consequem decrite par l'equation:

\H

+

^{Ion -+} 21H

+

'Y

Le symbole : represente le ou les photons qui, dans ce cas particulier, emportent l'energie de reaction; on I'omet parfois. Une notation condensee souvent employee pour decrire la meme reaction est:

\H (n, y) _2IH De meme, la capture de neutrons par l'azote:

I47N

+

^{Ion ~} 14sC

+

\H est aussi decrite par:

I47N (n, p) I4SC ou le symbole p designe le proton.

Dans toutes les equations de reactions nucleaires, la somme des indices inferieurs doit avoir la meme valeur a gauche et a droite. C'est une consequence du principe physique de la conservation de la charge electrique. La somme des indices superieurs doit egalement avoir la meme valeur a gauche et

a

^droite.

Cela est une constatation experimentale: aux energies qui nous interessent ici, les nucleons ne peuvent etre ni detruits ni crees dans les ft!actions nucleaires bien que les neutrons puissent se transformer en protons et reciproquement.

Ainsi il y a conservation egalement po ur le nombre de masse.

Dans les noyaux stables, tous les neutrons sont stables, a l'oppose des neutrons libres (tableau 1) ou des neutrons de certains types de noyaux radio- actifs (voir ci-apres, page 353). Il peut aus si arriver que des protons soient instables a l'interieur de certains noyaux (page 354).

ISOTOPES

Nous avons vu qu'il existe des noyaux (et par consequent des atomes) identiques par le nombre de charge (indice inferieur) mais non par le nombre de masse (indice superieur). C'est le cas, par exemple, po ur les atomes de protium et de deuterium. Nous avons dit que les proprietes chimiques so nt determinees uniquement par la charge nucleaire (c'est-a-dire uniquement par le nombre de protons) et non par le nombre de neutrons a l'interieur du noyau.

Des atomes qui ne different que par le nombre de masse ont, par consequent, des proprietes chimiques presque identiques. De tels atomes appartiennent donc a un seul et meme element, en depit de la difference des nombres de masse.

Or, pour chaque element il n'y a qu'une seule ca se dans le tableau periodique ou les elements so nt disposes dans l'ordre croissant des nombres atomiques.

Par consequent, differentes especes atomiques, caracterisees par un nombre de charge identique mais un nombre de masse different, occupent une seule et meme place dans le tableau periodique. Il n'y a, par exemple, qu'une seule case pour l'hydrogene (protiumet deuterium) et une case pour l'Mlium (42 He, qui est l'espece courante, et 32He qui est l'espece rare). Les especes differentes qui partagent la meme case sont appelees «isotopes » (du grec: LcrO<; = egal et 70;-;:0::; = lieu). Le nom fut imagine par un collegue de Rutherford, le chimiste F rederick Soddy, qui peut etre considere comme le createur de la radiochimie.

On insistera utilement sur la precision des termes: les especes nucleaires possedant le me me nombre de charge mais un nombre de masse different sont isotopiques ou, ce qui revient au meme, sont les isotopes d'un meme element.

II faut combattre la faute courante qui consiste a utiliser le terme « isotope»

comme un synonyme d'« especes nucleaire ». Ainsi, s'il est exact de dire que

11 H et \H sont des isotopes, il est inexact de dire que \H (ou \H) est «un isotope ». Il serait encore plus faux de dire que \H, _2IH, ₃₂He et <l2He sont tous des isotopes. On peut utiliser l'analogie suivante: Men6las et Agamemnon ttaient deux freres, mais il serait inapproprie d'appeler Menelas «un frhe»

et tout a fait faux de dire que Menelas, AgallleIl1nOn, Paris et Hector etaient tous freres. Si l'on a besoin de designer une espece nucleaire, a l'exclusion de

350

toute autre, on peut utiliser le terme « nuclide ». Les nuclides sont souvent design es par l'adjonction du nombre de masse au nom ou au symbole de l'element: on dira par exemple helium-4 ou He-4.

Beaucoup d'elements natureis, mais pas tous, so nt composes de differents isotopes. L'hydrogene naturel, par exemple, contient de l'hydrogene lourd (dans une proportion d'environ 0,02 %) et le chlore naturelles isotopes 35₁₇C1 (75,5

%)

et 3\7CI (24,5

%).

Certains elements so nt constitues par un tres grand nombre d'isotopes, il y a par exemple 10 isotopes de l'etain; d'autre part, certains elements ne contiennent qu'un seul isotope, c'est notamment le cas pour l'iode (127531).

Les proportions des isotopes dans un element donne sont, en general, toujours les memes, quelle que soit l'origine de l'echantillon. (Dans certains cas particuliers, on connait

a

cette regle des exceptions, d'ailleurs explicables.) Les proportions isotopiques dans les m6teorites sont les memes que sur la terre. Cette identite des proportions isotopiques est un argument puissant en faveur d'une origine commune du systeme solaire: Lorsque les substances qui composent de nos jours le systeme soiaire se sont constituees par un processus encore mal compris, les differents nuclides se formerent dans certaines propor- tions probablement fortuites. Les nuclides presentant des proprietes chimiques identiques (isotopes) se melangerent dans les processus chimiques subsequents et, du fait de leur identite chimique, ils n'ont plus eu aucune chance, par la suite, de se reseparer d'une fa90n appreciable.

Les recherches geochimiques et l'analyse des meteorites conduisent

a

^la

conclusion, confirmee par les donnees spectroscopiques, que, tres generalement, pour un nombre de masse donne, l'abondance cosmique des noyaux ayant . un nombre pair de protons est plus grande que celle des noyaux ayant un nombre impair de protons. Parmi les noyaux du premier type, le sous-groupe le plus abondant est celui qui contient un nombre pair de neutrons. Les noyaux stables avec un nombre impair de protons contiennent presque toujours un nombre pair de neutrons. On peut fesumer en remarquant que les nombres pairs sont nettement « preferes » aux nombres impairs, pour les protons comme pour les neutrons. Cette preference refkte sans aucun doute la facilite avec laquelle les noyaux de ces especes se sont initialement formes. L'hydrogene leger qui vraisemblablement, servit de point de depart

a

la synthese nucleaire, occupe une position exceptiom">f'lle; il est plus abondant dans le cosmos que tous les autres nuclides reunis. Des processus de segregation ont fait que l'abondance des differents elements dans les parties accessibles de la terre ne coincide pas necessairement avec l'abondance des memes elements dans l'univers ou dans l'ensemble du globe terrestre.

EFfETS ISOTOPIQUES

Le lecteur aura remarque la reserve faite,

a

maintes reprises, au sujet de l'identite chimique - « presque » ou « pratiquement » realisee - des isotopes.

11 est temps, maintenant, de p;irler des differences chimiques peu importantes qui les distinguent. Les proprietes chimiques des atomes ne sont pas exclusive- ment determinees par le nombre de charge (c'est-a-dire le nombre d'electrons), mais elles dependent, dans une faible mesure, de Ia masse des atomes et par consequent du nombre de masse (nombre de nucleons dans les noyaux).

Or le nombre de masse est preCiSemellt le parametre qui permet de distinguer les isotopes.

Selon la theorie cinetique de la matiere, l'energie moyenne des atome<; est d6terminee par la temperature. La relation elementaire etablie en mecanique

pour l'energie de translation .

E

=

mv²J2

mo~tre qu'a une eertaine ene~gie moyenne E (d0D:c a une t~mperature donoee)"

la vrtesse (v) des atomes est mversement proportlOnnelle a la racine carree de la masse (m). Par eonsequent, la vitesse de translation moyenne des atomes des isotopes lourds sera moindre que eelle des atomes des isotopes legers. Une relation semblable est valable pour l' energie de vibration des atomes dans: fes molecules. Les differents isotopes presenteront, par consequent, certaines differenr.es dans les phenomenes OU la vitesse des atomes joue un röle imporunt.

cornrne par exemple dans la diffusion ou dans la einetique des reactions chimi,...

qut',-. Dans les equilibres ehimiques, on observe egalement de petites differences entre les isotopes.

Les ditferences ehimiques entre isotopes sont eonnues sous le nom «d' effets isotopiques ». L'importanee de ces effets est, bien entendu~ li~ a la difference :;:-elative du nombre de masse entre les isotopes en jeu. Par exemple, les effets isotopiques sont negligeables, dans le plomb naturel (isotopes 204, 206, 207, 208) ou la difference ne depasse pas 2

%.

En revanche, les effets isotopiques sont plus prononces dans l'hydrogene ou l'atome de deuterium pese deux fois plus que eelui de l'hydrogene leger.

SEPARATION DES ISOTOPES

Pour certaines recherches scientifiques et egalement pour eertaines appli- cations pratiques, il est necessaire de separer les isotopes d'un element donne.

En raison de la tres grande simiJitude ehimique des isotopes, les procedes employes sont souvent difficiles et onereux, mais le probleme peut etre resolu po ur r.haque element.

nest relativement facile de separer l'hydrogene lourd de l'hydrogene leger au moyen d'effets isotopiques de nature ehimique. La decomposition electro- iytique de l'eau est une des methodes de separation possibles, Si on utilisc deS electrodes appropriees, on trouve que l'eau restant dans un electrolyte (akalin) est beaueoup plus riche en deuterium que 1e gaz hydrogene lib6re.

Une autre methode est basee sur une reaction d'echange chimique. Quand

~'equi1ibre est atteint entre l'hydrogene et la vapeur d'eau, en presence de cerlaills ..:a.alyseurs assurant l'eehange des atomes d'hydrogene entre les deux substances (sans ehangement de la proportion hydrogene-eau), l'eau est plus riehe cn

CC~iterium que l'hydrogene libre. La eonstante d'equilibre K

=

[HDO] [Hz)

[H₂0] [HD]

est plus grande que ^1. Dans cctte equation, le symbole D a ete employe pour le deuterium bien que, en general, on se eontente des indices ^POUf distinguer les isotopes.

Le facteur d'enrichissement K dans une reaction ehimique de cette nature, meme dans le cas relativement favorable de l'hydrogene, est insuffisant pour donner en une fois un produit dont les proportions isotopiques sont modifiees suffisamment pour les besoins pratiques. Par consequent, on enrichit habituelle- ment Je produit en repetant I'operation jusqu'a ce qu'on obtienne une substanee d0nt 1a eomposition est jugee satisfaisante.

Dans 1e eas des elements lourds, ou les differences chimiques entre les isotopes so nt particulierement faibles, on prefere souvent les methodes physiques

352

·~ 'paration, Par exemple on utilise pratiquement deux methodes physiques '" se ctfcctuer Ia separation des isotopes natureIs importants de l'uranium .. ~.,.brcs de masse: 235 et 238). La premiere, qui donne un enrichissement

~ .... , par stades successifs, est basee sur la diffusion plus rapide d'un compose

~:1ZCuX de ris6tope leger (U~6)' ~orsque ce ~uorure vola~il .diffuse a trav~rs

~ p"res d'une membrane metalhqu~, ~a.J(artle du gaz qUl dIffuse en premier plus riehe en U-235 que le pro dUlt mItIal.

. La seconde methode comprend une seule operation, elle utilise Ie princip~

ca spi:ctrometre de masse. Un faisceau fin d'ions uranium, accelere dans le

\;dc, est soumis ä. l'action d'un champ magnetique. Les ions qui se deplacent constituent un courant electrique, les particules sont donc deviees par le champ

ct cette deviation est determinee, toutes choses egales d'ailleurs, par la vitesse, donc par la masse des particules. Dans un appareil approprie, on recueilie s.eparement les differents isotopes de I ' u r a n i u m . .

]usqu'a present, sans le dire explicitement, nous n'avons pade que des nuc1ides stables ou de nuclides dont l'instabilite est negligeable dans les condi- tions experimentales. Cependant la plupart des nuclides sont instables et sont sujets a la desintegration radio-active: nous etudierons maintenant ce phenomene.

RADIG-ACTIVlTE

La radio-activite fut decouverte en 1896 par Becquerel a Paris, puis etudiee d'une fa<;on systematique par Pierre Curie et son epouse Marie-Curie Sklodowska, d'origine polonaise, plusieurs annees avant la theorie de l'atome nuch!aire. La radio-activite fut, en fait, le point de depart de la science nuc1eaire.

Grace a un travail acharne, dans des conditions difficiles, les Curie

ser:1.-

rerent, a partir de pechblende naturelle fournie par le Gouvernement autrichien, plusieurs elements jusqu'alors inconnus, principalement le polonium et le radium, qui se caracterisent par l'emission spontanee de radiations intenses.

Les operations chimiques furent menees tout d'abord d'une fa<;on empirique, sur la base de frequentes mesures de radiation, de fa<;on a obtenir "!lne concen··

tration des elements actifs inconnus. Ces substances furent appelees « radio,.

actives». On decouvrit par la suite que les radiations etaient emises au COI'J'S

de reactions nucleaires (transformations); i1 est aujourd'hui d'usage general de definir la «radio-activite» comme le phenomene de la transformation nuc1eaire spontanee (desintegration). Les rayonnements le plus frequemwent emis par reaction spontanee sont des electrons rapides (rayons ß), des ions helium rapides (rayons IX) ou encore des photons (rayons y). Tous ces rayon ne- ments proviennent des noyaux mais on observe aussi dans beaucoup de cas, comme consequences de la decomposition radio-active, des emissions ce radiations, des rayons X par exemple, provenant des parties exterieure~ de l'atome. Les procedes de mesure de toutes ces radiations seront i11(hl"~"

plus loin (page 362).

On sait maintenant que la forme la plus usuelle de radio-a~tivite est l'activite ~. Elle consiste en la transformation d'un nucleon (neutron en proton ou proton en neutron). La conservation de la charge est assuree le plus souvent par la cn!ation d'un electron (particule

ß).

Cet electron ne peut preexister :l l'interieur du noyau. La desintegration du bismuth-210 est un exemple de radio-activite

ß:

353

Le bismuth-21O est un element naturei; il est egalement connu sous le nom de

« radium E », tandis que le polonium-21 0 est parfois encore appeIe ({ radium F ».

Dans le noyau de radium E, un neutron se transforme en proton, pour donner un noyau resultant plus stable. Dans d'autres cas, la stabilite augmente lorsqu'un proton se transforme en neutron; dans ce cas c'e&t un electron positif (positron) qui est emis, comme par exemple dans la desintegration du radiophosphore (artificiei) P-30*:

30lSP ---'>-30

14Si

+

^OIe

Les proprietes des positrons, en dehors du signe de leur charge, sont identiques

a

ceIles des electrons. Ils sont stables et subsisteraient i;,de!iriment dans un espace libre. Cependant lorsque des electrons dc signes opposes se rencontrent, Hs se neutralisent mutuellement (annihilation) et disparaissent en ta nt que corpuscules. L'energie qu'ils contiennent est dc 0,5 MeV pour chacun, selon la relation d'Einstein (page 346); elle est conservee sous forme de photons (radiation eIectromagnetique). Du fait de I'abondance d'electrons negatifs, les positrons disparaissent rapidement, en pratique.

Une troisieme variante de la radio-activite est la «capture K» ou plus precisement la capture d'un 6lectron sur une orbite. Ce curieux processus se produit souvent concurremment avec l'emission de positrons chez les noyaux ou la transformation d'un proton en un neutron amene une augmentation de la stabilite. Dans le cas de Ia capture K, le noyau n'emet pas de corpuscule mais capture un 6lectron sur une orbite de l'atome (generalement dans la couche K).

Celase produit par exemple dans Ie potassium-40:

4Ol9K

+

o_le ---'>- 40lSAr

Ce processus se manifeste par l'intermediaire des rayons X emis Iorsqu'un eIectron provenant de I'exterieur vient combier la lacune eIectroni::;.c produite par la capture K. L'intensite de ces rayons X permet de deteffiliner la vitesse du phenomene.

On sait aujourd'hui que la desintegration 0.: est un phenomene plus special que la desintegration

ß.

Elle affecte presque exclusivemeni les noyaux lourds qui sont aussi les plus fortement charges. Les forces d~ Coulomb entre les nombreux protons qu'ils contiennent peuvent y etre suffisamnlent intenses pour en expulser quelques-uns. Il convient cependant de remarquer que dans les transformations radio-actives spontanees, des protons ne s0nt jamais ejectes separement mais toujours sous forme de particules comprenant deux protons et deux neutrons. Cette particule n'est autre qu'un noyau d'helium ou un ion helium doublement charge 42He (particule 0.:); elle est caracterisee par sa tres grande cohesion (energie de liaison). Un exemple de radio-activit6 CI.: est donne par la desintegration du radium-226:

226ssRa ^---'>-222ssEm

+

⁴_zHe

L'emanation Em (element 86) est un gaz inerte; l'isotope 222Em est l'emanation du radium ou radon (periode 4 jours environ). Les rayons 0.: ont avec la matiere une interaction beaucoup plus forte que les rayons

ß,

et sont par consequent bien moins penetrants. Le parcours dans l'air est de quelques centimetres, alors que les rayons

ß

ont frequemment des parcours de quelques metres.

Apres l'emission des rayons 0.: ou

ß ,

le noyau reste frequemment, mais pas toujours, dans un etat excite, et emet l'energie qu'il a en exd:s sous forme d'un photon ou d'une cascade de photons, sans aucun changement du nombre de charge ou du nombre de masse. Ces photons provenant du noyau sont

* Le sujet general de la radio-activite artificielle est traite

a

la page 359.

354

a

appeles rayons y. Le pouvoir de penetration en est tel qu'ils sont utilises pour la radiographie industrielle de pleces d'acier epaisses, rails ou tub es par exemple.

En regle generale, l'emission de rayons y suit celle des rayons oc ou ß apres un intervalle de temps extremement court. Il peut ainsi sembIer que le noyau 'Y. ou ß-actif emet egalement le rayon y, c'est-a-dire que I'emission est simultanee. Ce n'est en realite pas Ie cas. On sait par exemple qu'apres l'emission d'un rayon ß par le radium D (plomb-21O) avec une energie de 0,018 MeV un rayon "'{ de 0,047 Me V est emis presque immediatement. Mais a proprement parler, ce rayon est emis par le noyau resultant de la desintegration du radium D, a savoir le radium E (bismuth-21O). Ce n'est que beaucoup plus tard que le noyau de radium E, se trouvant alors dans son etat fondamental, se desintegre lui-meme (desintegration ß, periode: 5 jours).

Parfois, l'intervalle de temps entre la production du noyau excite, capable d'emettre un rayon y, et l'emission de ce rayon, est beaucoup plus long:

il peut atteindre des jours, voire des mois. Dans le ca& du teilurium-123, par exemple, la desintegration de l'etat excite vers l'e~at fondamental a une periode de 4 mois. Il se trouve que dans ce cas comme dans beau~cup d'autres, le photon ne quitte pas l'atome mais cede son energie a un 6lectron d'une ..::ouche exterieure (et non

a

un electron prenant naissance dans ie noyau, c'est-a-dire un rayon

ß).

Ce processus est appele « conversion interne ».

Un noyau qui reste assez longtemps a l'etat excit6 et le meme noyau

a

l'etat fondamental sont appeles « isomeres llucleaires );. C~tte denomination rappelle que les deux sortes de lloyaux ont une composition id'.)ntique en protons et neutrons, bien qu'ils aientdes proprietes differentes. L'analogie avec l'isomerie chimique est instructive et merite d'etre soulignee.

La desintegration radio-active conduit,

a

^partir ci'l'~l ~iat initial bien defini du noyau (et de l'atome) a un etat final egalement bien d6fini. Par consequent, on pourrait penser que la particule emise est douee d'une energie egalement bien definie. Cela a ete confirme par l'experience dans le cas des rayons oc et y.

Dans ces deux desintegrations, les particules. ont des en~rgies precises au moment de l'emission. On fut tres surpris lorsque l'cxper;ence donna un resultat different dans le cas des rayons ß, qui ont toujours un spectre continu d'energie.

Une explication de ce phenomene fut proI'0s~e par P,lUii (a Zurich) et par Fermi (a Rome) qui postulerent qu'une partie variable Je l'energie dispo- nible dans la desintegration

ß

est emportee par une partieule elementaire non chargee, le «neutrino» qui a vraisemblablement une masse au repos nulle et dont la vitesse est eelle de la lumiere. En raison de l'absel!c~ de masse et de charge, le neutrino n'a qu'une faible interaction avec la matiere et il est difficiie d'en prouver direetement l'existence, eneore que toutes les experiences entre- prises sur ce sujet ces dernieres annees soient en aceorJ <i,'ee !a theorie. C'est donc la limite superieure de l'energie des partictiles dans chaque cas de desin- tegration

ß

qui correspond

a

la veritable difference ~l'encrgie entre l'etat initial et l'etat final du noyau. Lorsque cette energie limite eS1: entierement emportee par la particule ß, l'energie du neutrino est nulle.

LOI DE LA DESINTEGRATION· RADIO-ACTIVE

T oute substanee radio-active est caracterisee par une periode de demi- desintegration '7'/" appelee aussi plus simplement periode. La periode du radium-226 est de 1.620 ans, ee1le de l'uranium-238 de 4,5' 10⁹ ans, celle du polonium-214 de 0,16 msec. La periode est le temps au bout duquella desinte- gration reduit de moitie un quantite donnee de substance. Sur la moitie

-

restante, une moitie (e'est-a-dire le quart de la quantite initiale) sera desinte!!r~e

apres une nouvelle periode. Une quantite donnee de radium, par exem~p!e,

sera reduite de moitie apres 1 periode (1.620 ans), il n'en restera qu'un quart apres 2 periodes (e'est-a-dire 3.240 ans apres le debut de la desintegration), ete.

On signalera que ee serait une erreur de eroire qu'apres deux periodes de demi-desintegration, toute la substanee est desintegree. La eourbe de desinte- gration est une exponentielle (voir ei-apres), elle n'atteint jamais l'axe des abseisses, ee qui signifie - strietement padant - que la desintegration radio- active n'est ja mais achevee. En pratique, naturellement, la loi de desintegration ne peut etre appliquee lorsqu'il ne reste que quelques atomes radio-actifs.

En partant avec trois atomes, par exemple, on ne peut s'attendre a ce qu'apres une periode un atome et demi se soit desintegre.

On peut deduire la loi de desintegration en partant de I'hypothese que chaque atome radio-actif possede une probabilite definie de desintegration par unite de temps; on ehoisit generalement la seeonde pour les ealculs. Cette probabilite est appelee « constante de desintegration ». Elle est independante des eonditions exterieures teIles que pression, temperature, composition ehimique de l'echantillon, ete.; elle est par consequent egalement independante du nombre d'atomes de meme espeee qui se sont desintegres preeedemment dans l'eehantillon. Ainsi les atomes de radium sont earaeterises par une eons- tante de desintegration qui eonduira

a

une probabilite de desintegration de 0,5 pour une periode de 1.620 ans quel que soit le nombre d'atomes de radium

initialement presents dans l'eehantillon. ,

Le nombre approximatif d'atomes radio-aetifs «survivant» dans une preparation peut etre estime graphiquement. En abseisse, on inserit le temps et en ordonnee les nombres relatifs d'atomes aetifs (en poureent du nombre initial). Done aux temps "'/" 2 "'/.' 3 "'/.' les ordonnees sont 50, 25, 12,5, ... et la eourbe traeee par ees points represente la loi de desintegration.

La forme exacte de la eourbe de desintegration peut etre trouvee

a

l'aide d'un calcul elementaire. La variation par unite de temps du nombre N d'atomes radio-actifs dans un eehantillon,

d:: '

est egale au produit de la constante de desintegration (probabilite de desintegration) par le nombre d'atomes presents.

"Tl

dN = - AN (1)

(le signe - indique qu'il s'agit d'une diminution). On peut eneore ecrire:

~ ~ =

- A (2)

ou: - l n N = - A d (3)

dt En integrant, nous avons:

InN= -At

+

^{C (4)}

ou

^C est une constante d'integration. En passant des logarithmes aux nombres, on a:

N = eC • e- ^j,t (5)

Au d6but de l'experience, N possede une valeur No, c'est-a-dire que pour t

=

0:

N = No = e^{C -,} (6)

de sorte que e^C peut elre remplace par No dans la loi de desintegration qui prend la forme:

356

N . No e-^i.1 (7) A

=

^-dN/dt est «l'activite» de l'echantillon. On trouve immediatement

a

partir de (7):

qui peut s'ecrire:

(8) L'inverse de A a la dimension d'un temps: 1

A C'est le temps au bout duque1 Ie nombre d'atomes aussi bien que l'activite tombent

a

^{la eieme}

partie de la valeur initiale. On peut montrer que

"m

est la vie moyenne des atomes de l'echantillon.

Dans Ia pratique, il est commode d'utiliser les puissances de 2 au lieu des puissances de e. Au lieu de:

N = ^NO(;AI (9)

on ecrira:

N = N02^x et on obtient, en divisant (7) par (lG):

et:

soit:

et:

2^x = ^e-I.t

x In 2 = - At At

X = - -

In 2

N= N₀2 At In 2

(10)

(11) (12)

(13)

(14) On voit immediatement que 1:2 est le temps au bout duquell'echantillon est reduit

a

la moitie, c'est la periode de demi desintegration ("'I,)' Pour les appli- cations pratiques, nous ecrivons par consequent:

N = No 2 '''I.

et, par analogie:

A = ^A_o ^{2 -;:'/,}

On remarque que la periode est plus courte que la vie moyenne:

-r'/. = -r_{m •} In 2 = -rm • 0,693

(15)

(16)

(17) On exprime l'activite absolue en dpm (desintegrations par minute) ou en dps (desintegrations par seconde). La plupart des appareils de comptage ne mesurent pas directement les activites absolues, leur rendement etant inferieur

a

¹⁰⁰

%.

L'activite indiquee pour l'instrument est souvent exprimee en cpm (coups par minute). Lorsque le rendement est de 100

%

et seulement dans ce cas, le nombre de cpm est egal

a

celui de dpm.

L'activite absolue peut etre egalement exprimee en «curie». Une source de 1 curie (C) subit 3,7 . 10¹⁰ dps. Cette valeur numerique a ete choisie en sorte que 1 g de radium ait une activite tres proche de 1 curie. Les sous-multiples sont le millicurie (1 mC = 10-³ C) et le microcurie (1 [LC

=

10-⁶ C). L'activite

357

d'une preparation ne depend pas, par definition, de la nature de la desintegra- tion ni du nombre ou de l'energie des rayons emis dans chaque desintegration.

La desintegration du radium E, par exemple, donne des rayons

ß

de 1,14 MeV, la desintegration de l'actinium ordinaire (actinium-227), des rayons ~ de 0,045 MeV. Neanmoins l'activite, teHe qu'cn l'exprimerait par exemple en curie, est la meme pour autant qu'un nombre egal de noyaux se desintegrent par unite de temps dans les deux substances.

FLUCTUATIONS STATISTIQUES

La forme de la courbe de desintegration <':st completement determinee par la probabilite de desintegration indiquee pa. la constante de desintegration.

Le concept de probabilite implique la possibilite et meme la certitude d'un ecart par rapport a la valeur la plus probable. Lorsque la probabilite de deces pour les sexagenaires dans un certaia pays a une valeur particuliere, cela ne signifie pas que le nombre de morts clans l'annee suivante correspondra exacte- ment a la probabilite. D'une fa90n similaire, la vitesse reelle de desintegration (activite) d'un echantillon subit des « ftuetuations» irregulieres autour de la valeur la plus probable: plus l'activite absolue est faible, plus les fluctuations sont accentuees. Par consequent, plus Qn exige de ;m!cision dans la mesure, plus on doit enregistrer de desintegrations.

Cela peut etre exprime d'une maniere djffe;:ente: pour une precision donnee, le temps necessaire ala mesure est en raison inverse de l'activite de l'echantillon.

La theorie des erreurs montre ql.le l'ecart type (erreur probable) dans l'activite A (dpm) (en admettant que celle-ci ne soit pas trop petite) s'exprime par la formule de Poisson:

(1) L'ecart relatif type (c'est la grandeur importante en pratique) est donne par:

:t ^{= ±J~~}

⁽²⁾

On trouve une equation analoguG lorsqu'on rempiace l'activite absolue de l'echantillon par le nombre de coups par unite de temps, a, enregistre avec ^Ull appareil possedant un rendement inferieur a 100

%

(un compteur de Geiger par exemple). La grandeur

a

constitue ({ l'activite mesuree» (cpm) .

.!!.- ^:-.=

±J

^{1 (3)}

at - at

L'equation (3) montre que pour at = 1.000 coups mesures, l'ecart reIatif type est d'environ

±

3

%

alors qu'i~ est de

±

1

%

pour 10.000 coups. On se rappellera que la probabilite theorique de mesurer une valeur comprise entre (at

+

er) et (at - er) est d'environ 68

%

et qu'elle est de 95

%

entre (at

+-

2 er) et (at - 2 er).

EQUILIBRE RADIO-ACTIF

Souvent la substance produite dans une desintegration radio-active est elle-meme radio-active (relation de filiation). La substance derivee de la subs- tance derivee peut egalement etre radio-active, etc. Dans certains cas, toute une chaine de desintegration commence ainsi par la desintegration d'une substance. Les familles radio-actives naturelles sont de teIles chaines qui comprennent une douzaine de membrcs. L'une des plus connues commence a

358

l'uranium-238 et apres un certain nombre de desintegrations 'Y.. et

ß,

se termine au plomb-206. Le radium (226_ssRa), l'emanation de radium (222_ssEm), le radium D (2108~Pb)" le radium E (2lOS3^Bi) et le radium F (connu egalement comme polonium ordinaire 21022PO) sont parmi les membres de cette famille. D'autres chaines naturelles partent du thorium« ordinaire » (23290Th) et de l'uranium-235.

Pour avoir survecu jusqu'a aujourd'hui, il est clair que les familles naturelles doivent avoir un premier membre dont la periode ne soit pas trop courte par rapport au temps ecoule depuis la formation des nuclides. La synthese primaire des nuclides parait remonter a 5 ou 6 milliards d'annees.

Dans un echantillon contenant le premier membre d'une famille, un minerai d'uranium par exemple, tous les membres de la chaine radio-active sont en

«equilibre seculaire », a condition que l'echantillon n'ait pas subi de pertur- bation, une lixivation a l'eau par excmple. Pour realiser cette condition d'equi- libre seculaire, tous les membres de la chaine, a l'interieur de l'echantillon, ont la meme activite. La raison est facHe

a

comprendre: si l'un des membres de la chaine possede un exces d'activite: il se desintegre plus rapidement qu'il ne se regenere et par consequent Ja qL'antlte diminue jusqu'a ce que l'equilibre se retablisse. D'une fa~on analogue, la quantite d'une substance augmente quand elle a il1itialement une activite en dessous de la normale.

L'equilibre seculaire est ega!ement approch6 apres separation chimique d'un membre d'une serie, a condition que la periode de la substance mere depasse celle de la substance derivee (5). Par exemple, apres separation du radium D (21082Pb) (periode 19,4 annees) les activites du radium E (210S3Bi) (periode de 5 jours) et du radium F (21CS4PO), (periode 138 jours) croissent, dans l'echantiIlon isole,jusqu'a ce qu'elles deviennent egales a celle du radium D.

T ous les isotopes natureIs des iiiSu;ents 84 a 92 et certains isotopes natureIs des elements 81 a 83 (a savoir les isot~pes radio-actifs) se presentent comme membres des series radio-actives naturelles. Les isotopes des elements 85 (astate, At, un halogene) et 87 (fran.;ium, Fr, un metal alcalin) n'ont ete decouverts que recemment. Leur vie moyenne est breve. Aucun element de nombre atomique egal ou superieuf

a

84 ne possede d'isotope stable.

RADIG-ACTIVITE ARTIFICIELLE

Jusqu'en 1934, on ne connaissait que les nuc1ides radio-actifs natureIs.

Ces radionuclides naturels sont presque tous, comme le radium, membres d'une des series radio-actives naturelles, c'est-a-dire descendants de l'uranium- 238, de l'uranium-235 ou du thorium-232. Il existe cependant dans la nature un certain nombre de radionuclicies « i.soles ». On decouvrit ainsi que le potas- sium ordinaire contient non seulement les isotopes stables 39 et 41 mais egale- ment un isotope K-40 ß-acti[ (pag'.! 353). Au point de vue de la recherche scientifique et des applications pratiques, cette limitation de la radio-activite,

a

de rares elements, etait un obstac1e seneux. Cette position se modifia lorsque Frederic et Irene Joliot (fille de Pierre et Marie Curie) decouvrirent la radio- activite artificielle (Paris, 1934): de5 especes radio-actives sont creees lors de certaines reactions nuc1eaires.

Des 1919, Rutherford (alors

a

Cambridge) avait observe pour la premiere fois une reaction nuc1eaire non spontanee (artificielle). En exposant de l'azote aux rayons 'Y.. du polonium, il decouvrit que des protons rapides etaient produits dans la reaction: l'interpretation etait la suivante:

147N

+-

⁴zRe -+ ¹⁷₈0

+

\H

Dans le~ annees qui suivirent, on observa d'autres reactions. Cepepdant lcs nuclides - produits etaient stables et les reactions n'etaient suivies d'aucune autre transformation (spontanee).

Par contre, les Joliot montrerent que dans la re action : 2\aAI

+

⁴_2He ^-+ _ao15P

+

Ion

(feuille d'aluminium bombardee par des rayons IX), il se forme un isotope radio-actif du phosphore, dont la desintegration se produit avec l'emission d'un positron (periode 2,55 minutes). Le phosphore peut etre identifie par analyse chimique: dissolution de l'aluminium dans l'acide nitrique et precipi- tation du phosphore par le molybdate d'ammonium. Toute l'activite se retrC'uve dans le precipite. On decouvrit par la suite de nombreux autres cas de radio- activite artificielle. On connait aujourd'hui des isotopes radio-actifs de tous les elements; le nombre total des nuclides radio-actifs enumeres dans les munuels depasse le millier. Malheureusement quelques elements n'ont pas d'isotope pratiquement utilisable. Dans certains cas, les periodes sont trop courtes.

11 etait reserve

a

Enrico Fermi de montrer que les neutrons lents constituent, dans la production de la radio-activite artificielle, des agents tn~s effica<..:es.

Des neutrons libres furent tout d'abord obtenus

a

partir de « sources nawrelles de neutrons ». Une teIle source peut, par exemple, etre co;·,;tituee par un melange intime d'un emetteur de rayons IX (un seI de radium) et de beryiljum metallique. Le bombardement du beryllium par les rayons :x donne des neutrons sei on la reaction:

94Be

+

42He -+ 12₆C

+

^Ion

Les neutrons crees ont une energie cinetique superieure

a

¹ MeV et sorü par consequent des neutrons « rapides»: ils peuvent avoir des vitesses de plusieurs milliers de kilometres par seconde, du meme ordre de grandeur que celles des particules IX.

Fermi decouvrit que ces neutrons peuvent etre ralentis (transf9rm~" en neutrons « lents ») si on les dirige dans une substance contenant de l'hydr~gen;!,

par exemple de l'eau ou de la paraffine. Les noyaux des atomes d'hydrogene ont une masse sensiblement egale

a

celle des neutrons. Or, les theoremes cle la mecanique classique sur le choc de deux particules montrent que la moyenne de l'energie transferee est maximum lorsque les masses sont ega'~s. Apres quelques collisions, les neutrons ne· possedent pas plus d'energie cinetique que les atomes du milieu environnant (eau ou paraffine). Ces neutrons aInsi ralentis au maximum sont connus sous le nom de neutrons «thermiques ».

On appelle « moderateurs » les substances utilisees pour le ralentissemer.'. .2::5 neutrons.

L'importance des neutrons en tant qu'agents de transformaticf, '~S1; jUt!

au fait que, n'etant pas charges, ils ne subissent aucune repulsion electrostat'.4l;e de la part des noyaux atomiques: les neutrons peuvent s'approcher des noyaux et y penetrer sans peine. L'importance particuliere des neutrons lents est due au fait qu'ils passent un temps relativement long dans le voisinage de chaque lloyau et lui offrent ainsi une probabilite de capture elevee. Exemple:

21H

+

Ion -+ a1H

6aLi

+

^Ion -+ 42He

+

_a1H

55 25Mn

+

^{Ion -+ 56}25Mn

L'isotope de l'hydrogene dont la masse est 3 a une activite ~ avec une periode de 12,3 annees. 11 est connu sous le nom de tritium (symbole T).

On obtient aujourd'hui les neutrons en quantites enormes dans les reacteurs nuc1eaires ou « piles» dont une description sera donnee plus loin. Une des

360

utilisations principales des rt!acteurs est en fait de produire des neutrons. II est egalement possible de produire des r.eütrons a l'aide d'accelerateurs, de cyclotrons par exemple.

Des isotopes des elements 43 et 61 ont ete produits par des transmutations artificielles. Ces elements ne se trouvent pas dans la nature parce qu'ils ne possedent aucun isotope de vie moyenne suffisante. On les appelle «techne- tium» et « promethium ». Le technetium (Tc) se trouve dans le tableau perio- dique entre le mangane se et le rhenium aJors que le promethium est un element des terres rares. Par exemple, le nuclide ß-iictif technetium-99 peut etre obtenu par les reactions:

9842Mo

+

Ion -+ ₉₉₄₂Mo (periode 67 heures)

9942Mo -+ ₉₉₄₃Tc

+

^o_le

Le technetium-99, dont la periode est relativ·~ment longue (212.000 ans), peut etre prepare en quantite ponderable et utilise pom des experiences avec les methodes chimiques traditionnelles.

Certains radio-elements produits artificiellement peuvent etre les premiers membres (parents) de familles radio-activt"s (page 358). Il en est frequemment ainsi dans le cas de produits de fission (page 372).

ACCELERATEURS

Dans la production de radio-activite artificidIe par des radio-elements natureIs, on ne peut utiliser pour le bombardement que les projectiles fournis par les substances radio-actives, principalement par des rayons ~ et

ß.

Cepen- dant, des particules atomiques chargees de n'importe quelle espece peuvent etre accelerees ade grandes vitesses, c'est-a-dire ades energies elevees, par des procedes electriques. La premiere machine destinee a cet usage fut construite a Cambridge, en 1932, par Cockcroft et Walton. Des ions hydrogene (c'est- a-dire des protons ou d'autres ions iLgl.;,fS sont soumis, dans un long tube de verre evaeue, a une differer,ce de potentiel de plusieurs eentaines de milliers de volts, en sorte que le gain d'energic des particules est de plusieurs eentaines de miIliers d'electron-volts. A .. la sortie du tube, les ions aceeleres frappent une eible et dans certains cas y provoquent des reactions. Il est egale- ment possible de faire sortir le faisceau de particules

a

travers une fenetre metallique minee mais etanche et d'effeetuer des experienees a l'exterieur du

tl: be. Les aecelerateurs eleetrostatiques permettent d'ntiliser les protons, les deuterons (ions du deuterium), ete. comme projectiles. Les intensites des faisceaux sont nettement superieures

a

celles qu'on obtient a partir de substances radio-actives, c'est-a-dire que' le nombre de projectiles frappant l'unite de surface par unite de temps est beaueoup plus eleve, en pratique de 1.000 a 10.000 fois. Un exemple de reaction nucleaire avec des ions rapides est donne par:

5324Cr

+

21H -> ₅₄₂₅Mn

+

^Ion

De nos jours tous les grands centres de recherehes et certaines usines impor- tantes disposent d'aecelerateurs.

On atout naturellement eherehe a etudier le plus grand nombre possible de reactions en augmentant l'energie des ions. 0r, dans les aeeeIerateurs lineaires du type Cockeroft-Walton, vl1 atteint tres rapidement une limite pratique en raison des difficultes de l'isolement 61eetrique. E. O. Lawrence, en Californie, montra comment on peut pallier cette difficulte au moyen d'un aceelerateur eirculaire ou {( cyclotron ». La caracteristique essentiellt! de cette ma-:hine reside dans le fait qu'elle evite l'emploi de tres hautes tensions elec-

361

triques. Les ions dans le vide sont contraints par un champ magnetique a suivre une trajectoire en spirale sur la quelle ils re90ivent une serie d'acceIera- tions successives en passant plusieurs fois dans un meme champ electrique.

L'inergie cinetique augmente progressivement et peut atteindre en fin d'accele- ration 10 a 20 MeV et meme davantage. Tout recemment, on amis en service des m~chines perfectionnees (Geneve en Europe, Berkeley aux Etats-Unis et Dubna en Russie); ces grands accelerateurs (synchrotrons, b6vatrons, phaso- trons) permettent de donner aux ions des energies encore mille fois plus elevees.

DfTECTION ET MESURE DE LA RADIO-ACTIVITE

Dans les mesures de radio-activite, l'accent est mis sur la determination de!: intensites. L'intensite d'un rayonnement est definie comme le nombre de pa.rticulcs par unite de surface et de temps. La nature de la radiation ne joue pas de röle dans cette definition. Pour un dispositif experimental donne,

~'irl;'ensite du rayonnement est proportionnelle a l'activite de la source. Toutes choses egales d'ailleurs, l'intensite decroit proportionnellement aladiminution de l'angle solide effectif.

Le phenomene de la radio-activite a ete decouvert grace a I'effet de noircis- seme nt uifIus d'une emulsion photographique; les methodes photographiques J.e detection presentent encore actuellement une grande importance. La qualite des emulsions a ete fortement amelioree et dans certaines emulsions speciales dites ~< emulsions nucleaires », on peut meme suivre sous le microscope les t:::aces de particnles individuelles. apres developpement et fixage de Ia couche

sen~il:>le. Dans de telles emulsions, le parcours de rayons C(; typiques est, par eXerople, de 20 ou 30 rnicrons.

L'autoradiographie est une application de la methode photographique, particulierement importante en medecine, en biologie, en mineralogie et en

m~tal;urgie. En biologie, par exemple, une substance radio-active est introduite

d,;J1S l'organe qu'on veut etudier sur un animal vivant. Apres un certain

~emps, on tue l'animaI et on preleve une coupe de tissu qu'on met en contact ctroit avec une plaque photographique. Au developpement, la repartition des grains d'argent reduit revele la distribution de la substance radio-active a I'interieur de fcrgane observe. Cette methode mise au point par Lacassagne,

a

Paris. Iui servit

a

etudier la distribution du polonium (activite C(;) dans Ie corps d'un rat auquel on avait fait absorber un compose de cet 6lement. La S1:ructure des dliages peut etre determinee par autoradio graphie, soit par in·:roduction d'un composant radio-actif dans le metal en fusion, soit par actj ,ation selcctive d'un comp0sant de l'alliage a l'aide de neutrons (voir page 365). Rappeions ici qu'on appelle «marquee» une substance rendue radio-active par addition d'un radio-isotope. La radio-activite d'une substance m2.rquee en pennet la detection par des instruments de mesure de radiation.

La chambre d'ionisation est un appareil classique pour la mesure quanti- tative des activites. Elle comprend essentiellement une enceinte contenant un gaz dans la quelle un champ electrique, uniforme et constant, est etabli seus une tension de quelques centaines de volts. Le rayonnement

a

^mesurer

peut etre emis par un echantillon place

a

l'interieur de l'enceinte ou penetrer

a

l'interieur de l'enceinte, l'echantillon se trouvant

a

l'exterieur. Le rayonnement agit sur le gaz, en l'ionisant (arrachement d'electrons aux atomes). Les electrons er lt:s ions ainsi liberes sont attires par les electrodes ou ils sont recueiIlis;

ce deplacement de charges electriques constitue un courant mesurable. qu'on 362