Qu'est-ce que la radioactivité?

 

                      

            La radioactivité a été découverte en 1896 par le physicien français Henri Becquerel (1852-1908). Ce dernier, professeur de physique au Museum national d'histoire naturelle et à l'Ecole polytechnique, a consacré sa vie à la science tout comme son père Edmond Becquerel. Il a réalisé des recherches sur certaines propriétés optiques des cristaux et s'est intéressé aux processus de luminescence des attractive de certains matériaux. Lors de ses recherches sur l'atome d'uranium, il a découvert que celui-ci émettait, sans s'épuiser, des rayonnements invisibles, différents des rayons X mais aux effets similaires. Il les a nommé «rayons uraniques».  A la suite de cette découverte, Pierre et Marie Curie ont établi de nouvelles recherches plus approfondies et ont trouvé deux nouveaux éléments chimiques capables d'émettre un rayonnement : le polonium et le radium. Ce sont eux qui établirent la notion de radioactivité.

          A l'origine, la radioactivité est un phénomène naturel. Il s'agit d’un phénomène physique au cours duquel un noyau instable d’atome (constituant fondamental de la matière), appelé noyau père, se désintègre spontanément en un nouveau noyau fils (donc en un nouvel atome) avec émission de rayonnements.

A l'état naturel, la plupart des noyaux d'atomes sont stables, mais il existe des noyaux dit instables, c’est-à-dire qu’ils se transforment spontanément en d’autres noyaux. Un noyau atomique est composé de protons (charges positives) et de neutrons (neutres électriquement), l'ensemble est appelé nucléons. La stabilité d'un noyau atomique dépend principalement de l'interaction attractive forte et de courte portée s’exerçant entre les protons, entre les neutrons ou entre les deux. Elle est en concurrence avec la répulsion électromagnétique présente entre les protons. Ainsi, lorsque le nombre de protons  du noyau augmente, la répulsion électrostatique l'emporte sur l'interaction forte et provoque alors l'instabilité du noyau. Cela signifie qu'il y a un excès soit de protons, soit de neutrons, soit des deux. Un troisième type de force, dite "interaction faible" agit à l'intérieur même des nucléons. Elle peut transformer une espèce de nucléon (proton ou neutron) en l'autre espèce.

Les atomes dont le noyau est instable sont dits radioactifs. Ils se transforment spontanément en d'autres noyaux, radioactifs ou non, cette transformation est irréversible et est appelée désintégration. Celle-ci s'accompagne d'une émission de particule et de rayonnements.

 

Il existe quatre de radioactivité : la radioactivité alpha, bêta -, bêta + et gamma.

 

La radioactivité alpha :

 

Un atome radioactif alpha émet une "particule alpha", soit un atome d'Hélium. En effet, le noyau de l'atome radioactif est trop riche en nucléons, ainsi deux protons et deux neutrons sont expulsés de celui-ci. L’atome se transforme alors en un nouvel atome.

Cette radioactivité concerne surtout les noyaux radioactifs lourds tels que l’uranium.

 

 

 

 

 

 

 

                                             Noyau père               Noyau fils              Noyau d'Hélium

                                                                                                             (particule alpha)

 

La radioactivité bêta - :

 

Un atome radioactif bêta –  émet un électron et un antineutrino. En effet, le noyau de cet atome est trop riche en neutrons. Ainsi, il y a transformation d’un neutron en proton et expulsion d'un électron et d'un antineutrino. La nature de l'atome est donc changée

 

 

 

 

 

                                                  

                                    

 

                                   Noyau père                 Noyau fils                 Electron          Antineutrino

 

 

La radioactivité bêta + :

 

Un atome radioactif bêta + émet un positon (électron chargé positivement) et un neutrino (particule élémentaire). Le noyau de cet atome est trop riche en proton ainsi, il y a transformation d'un proton en neutron et expulsion d'un positon et d'un neutrino. La nature de  l’atome a été modifiée.

 

 

 

 

 

                                                                             

 

                                       Noyau père               Noyau fils            Positon         Neutrino

 

L'excès de neutrons étant beaucoup plus fréquent parmi les noyaux radioactifs naturels que l'excès de protons qui est rare, la radioactivité bêta - est plus observée que la radioactivité bêta +.

 

La radioactivité gamma :

 

Au cours de la désintégration radioactive, le noyau radioactif se trouve dans un état d’énergie excité. Pour retourner à son état fondamental, il se désexcite en émettant un photon (particule élémentaire de la lumière). Le rayonnement émis par le noyau au cours de la désexcitation est un rayonnement gamma. L'émission de ce photon gamma ne modifie pas la nature de l'atome.

 

 

 

 

 

 

 

                                                Noyau                             Noyau         Rayonnement gamma                                                                                                                         désexcité          dans un état excité                                                                   

Lorsqu’un noyau se désexcite, il libère une certaine quantité d’énergie dite « énergie libéré ». Tout d'abord, nous pouvons calculer l'énergie interne d’après la loi d’Einsten exprimant l’équivalence masse-énergie :                                 

 

E = mc²

 

 

Puis l'énergie libérée correspond à la différence d'énergie interne entre les produits et les réactifs de la réaction nucléaire:

 

Elibérée = (mproduits  -mréactifs) c²

 

E : énergie interne en J (joules)

m : masse en kg (kilogrammes)

c : célérité de la lumière en m/s (3*108 mètres/seconde)

 

Les désintégrations radioactives correspondent à une réaction nucléaire. Elles obéissent alors aux lois de conservations appelées lois de Soddy :

-Conservation du nombre de nucléons

-Conservation du nombre de charges électriques (donc de protons)

 

La distance maximale de propagation est différente selon le type de radioactivité.

 

 

 

 

 

 

           

 

 

 

                                                                      Papier   Aluminium    Béton

 

Le rayonnement alpha (α) est le plus dangereux, mais il ne se propage que sur une courte distance et peut être arrêté par une simple feuille de papier.

Le rayonnement bêta (β) se propage plus loin que l’alpha, il est arrêté par de l’aluminium ou du bois.

Le rayonnement gamma (γ) quant à lui parcourt une très grande distance, il peut être arrêté par des matériaux denses comme le béton ou le plomb.

Grâce à ces connaissances, les mesures de radioprotection sont plus précises et plus efficaces.

 

La radioactivité se mesure avec différentes unités :

• Le becquerel (Bq): il correspond à une désintégration par seconde.

• Le gray (Gy): il permet de mesurer la quantité de rayonnements absorbés par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements. Il a remplacé le rad en 1986 (1 gray = 100 rads = 1 joule par kilogramme de matière irradiée)

• Le sieviert (Sv) : il permet de mesurer les effets biologiques des rayonnements sur un organisme humain exposé.

Le gray et le sieviert sont surtout utilisés en médecine et dans l'industrie nucléaire.

 

L’ancienne unité de mesure de la radioactivité est le curie (Ci), nom donné en l'honneur à Pierre et Marie Curie. Il équivaut à l’activité de 1 gramme de radium (élément naturel que l’on trouve dans les sols contenant du minerai uranium). Cette unité est beaucoup plus grande que le becquerel car dans un gramme de radium il se produit 37 milliards de désintégrations par seconde. Ainsi, un curie est égal à 37 milliard de becquerels.

 

Il est impossible de détecter la radioactivité à l’œil nu, elle est invisible, inaudible et inaudore. Différents appareils sont alors utilisés afin de mesurer les rayonnements émis par les atomes radioactifs :

• les tubes compteurs à gaz (compteur proportionnel, compteur Geiger-Müller, chambre d’ionisation, etc.)

• les scintillateurs couplés à des photomultiplicateurs,

• les matériaux dits "semi-conducteurs" (silicium, germanium).

 

Nous observons alors que la radioactivité est décroissante avec le temps. En effet, comme nous l’avons vu précédemment, lorsqu’un atome radioactif se désintègre, il émet une particule radioactive et se transforme en un nouveau noyau. Cela provoque une diminution du nombre d’atomes de l’espèce radioactive, du nombre de rayonnements émis ainsi que du nombre de désintégrations par seconde (appelé activité). Ces trois quantités diminuent ensemble au cours du temps selon la loi de décroissance radioactive.

On appelle temps de demi-vie d’un noyau radioactif la durée au bout de laquelle l’activité initiale de l’échantillon radioactif s’est divisée par deux. Il est aussi appelé période radioactive. On le note : N/2 (avec N activité initiale).