Radioactivité - Définition

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Loi de désintégration radioactive

Un radioisotope quelconque a autant de chances de se désintégrer à un moment donné qu'un autre radioisotope de la même espèce, et la désintégration ne dépend pas des conditions physico-chimiques dans lesquelles le nucléide se trouve. En d'autres termes, la loi de désintégration radioactive est une loi statistique.

Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque. Comme la probabilité de désintégration d'un quelconque de ces radionucléides ne dépend pas de la présence des autres radionucléides ni du milieu environnant, le nombre total de désintégrations dN pendant un intervalle de temps dt à l'instant t est proportionnel au nombre de radionucléides de même espèce N présents et à la durée dt de cet intervalle : c'est une loi de décroissance exponentielle. On a en effet :

dN = − λNdt.

Le signe moins (–) vient de ce que N diminue au cours du temps, de sorte que la constante λ est positive.

En intégrant l'équation différentielle précédente, on trouve le nombre N(t) de radionucléides présents dans le corps à un instant t quelconque, sachant qu'à un instant donné t = 0 il y en avait N :

N(t) = N0e − λt.

Le temps de demi-vie est la durée à laquelle la moitié d'un échantillon radioactif est désintégré, lorsque le nombre de noyaux fils est égal au nombre de noyaux pères. Dans ce cas, on a t_{1/2} = \displaystyle\frac{ln2}{\lambda}

Les transformations nucléaires

La « désintégration » (en physique, elle correspond à la transformation de la matière en énergie) d'un noyau radioactif peut entraîner l'émission de rayonnement α, β- ou β+. Ces désintégrations sont souvent accompagnées de l'émission de photons de haute énergie ou rayons gamma, dont les longueurs d'onde sont généralement encore plus courtes que celles des rayons X, étant de l'ordre de 10-9 m ou inférieures. Cette émission gamma (γ) résulte de l'émission de photons lors de transitions nucléaires : du réarrangement des charges internes du noyau nouvellement formé, ou bien de la couche profonde du cortège électronique perturbé, à partir de niveaux d'énergie excités avec des énergies mises en jeu de l'ordre du MeV.

Les transformations isobariques

Une transformation isobarique correspond à la transmutation d'un noyau avec la conservation du nombre de masse A.

Les émissions bêta

L'émission bêta moins
Émission d'une particule β- (électron), fortement ionisante.

La radioactivité bêta moins (β-) affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons. Elle se manifeste lors de réactions isobariques par la transformation dans le noyau d'un neutron en proton, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et d'un antineutrino électronique νe :

 {}^{A}_{Z}\hbox{X}\;\to\;^{A}_{Z+1}\hbox{Y}+ e^- + \bar{\nu}_e .
L'émission bêta plus

La radioactivité bêta plus (β+) ne concerne que les nucléides présentant un excès de protons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un proton en neutron, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un positron (ou positon, encore appelé particule bêta plus = antiélectron) et d'un neutrino électronique νe :

 {}^{A}_{Z}\hbox{X}\;\to\;^{A}_{Z-1}\hbox{Y}+ e^+ + {\nu}_e .

L'émission d'un rayonnement β+ par un noyau n'est possible que si l'énergie disponible est supérieure à 1,022 MeV (soit la masse de deux électrons). Car le bilan énergétique, qui est la différence entre l'énergie initiale et l'énergie finale donne : Q = (m(X) − m(Y) − memν)C2, où mνC2 est négligeable, puisque de l'ordre de quelques eV.

Q = μ(X)C2ZmeC2 − μ(Y)C2 + (Z − 1)meC2meC2, avec μ(X)C2 et μ(Y)C2 les énergies des atomes X et Y.

Q = (μ(X) − μ(Y) − 2me)C2=Qβ+.
La réaction n'est donc possible que si Q > 0 c'est-à-dire que si (μ(X) − μ(Y))C2 > 2meC2 = 1,022 Mev.

La capture électronique

La capture électronique (ε) ne concerne que des nucléides qui présentent un excès de protons et dont l'énergie disponible (dans la réaction potentielle) n'est pas nulle.

 {}^{A}_{Z}\hbox{X} + e^- \;\to\;^{A}_{Z-1}\hbox{Y} + {\nu}_e

L'émission alpha

Émission d'une particule alpha (noyau d'hélium), très fortement ionisante.

On parle de radioactivité alpha (α) pour désigner l'émission d'un noyau d'hélium ou hélion :

 {}^{A}_{Z}\hbox{X}\;\to\;^{A-4}_{Z-2}\hbox{Y}\;+{}^{4}_{2}\hbox{He} .

Ces hélions, encore appelés particules alpha, ont une charge 2e, et une masse de 4,001 505 8 unités de masse atomique.

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