ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE

PARTICULES ELEMENTAIRES

EQUIVALENCE MASSE-ENERGIE E = mc² Énergie totale c= 2.997 924 562 108  3 108 m/s 1 unité de masse atomique = 1/12 masse d ’un atome 12C 1 u.m.a. = 1.66053 10-27 kg Montrer que 1 u.m.a. = 931,5 MeV/c² (NA = 6.02217 1023 mole-1)

LES LOIS DE CONSERVATION Energie : Quantité numérique qui se conserve E = mc² E = ½ mv² c E = h n r E = kT t E = qV e Quantité de mouvement : Moment cinétique : Charge électrique : Nombre de leptons : Particules légères Nombre de baryons : Particules lourdes Références : A lonso-Finn Fundamental University Physics t3 ch. 9 p 397

b LES FORCES EN PHYSIQUE Gravitation : Electro-magnétique : Nucléaire faible : b Désintégration Nucléaire forte : Cohésion nucléaire Intensité relative des 4 interactions Forte : 1 Electromagnétique : 10 -2 Faible : 10 -13 Gravitationnelle : 10 -38

Excès de masse = M - A (en u.m.a.) NOYAUX A : Nombre de masse Symbole : Z : Nombre de charges Masse : Energie de Excès de masse = M - A (en u.m.a.) liaison : Rayon nucléaire:

Isotones N = Cste Isobares A = Cste Isotopes Z = Cste Alonso-Finn Ed Adison-Wesley Reading USA 1968 Isotopes Z = Cste

Figure 2.8 Énergie moyenne de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse pour les nuclides (et 8Be). Remarquer que l ’échelle change à l ’abscisse A = 30. (Avec l ’autorisation de Evans, 195.)

DESINTEGRATIONS RADIOACTIVES PLAN Désintégration b b-, b+, ec capture électronique Désintégration a Désintégrations électromagnétiques g, ci création de paire interne Ref: W.E. MEYERHOF Eléments de physique nucléaire - Dunod - Paris 1970

Emission b- e- n Lois de conservation - (A, Z) ® (A, Z+1) + e Charge Z = Z+1 -1 baryons A = A leptons = +1 -1

Energétique Masse Noyau = Masse de l ’atome A, Z A, Z+1 b- Nb n Nb P+

Emission b+ e+ n Lois de conservation (A, Z) ® (A, Z - 1) + e + n Charge Z = Z - 1 +1 baryons A = A leptons = -1 +1

Energétique (A, Z) b+ 2me = 1.022 MeV (A, Z-1)

Capture électronique: ec K Lois de conservation - (A, Z) ® (A, Z - 1) + n + e Charges Z -1 = Z - 1 baryons A = A leptons +1 = -1

Energétique EK,L (A, Z) n (A, Z-1)

Désintégration a  a A, Z A - 4 Z - 2 He Lois de conservation (A, Z) ® Noyau parent Noyau descendant Lois de conservation (A, Z) ® (A – 4, Z - 2) Charges Z = Z - 2 + 2 baryons A = A - 4 + 4 leptons =

Energétique

Schémas typiques de désintégrations alpha Schémas typiques de désintégrations alpha. (a) Désintégration vers des états excités du descendant. On indique les spins et les parités. .../... Adapté de Segré, 1964 et de K. Way, N.B. Grove, C.L. McGinnis, R. Nakasima, Energy level of Nuclei, A = 21 à A = 212 et J. Scheer, Energy levels of the Heavy Nuclei, A = 213 à A = 257, dans A. M. et K. H. Hellwege, Ed. Landolt-Bornstein, groupe 1, vol. 1 Energy levels of nuclei, A=5 to A = 257, Springer-Verlag, OHG Berlin, 1961.)

Schémas typiques de désintégrations alpha Schémas typiques de désintégrations alpha. (b) Désintégration à partir des états excités du noyau parent (213 Po). Le nombre indiqué à côté de chaque transition donne l ’intensité relative par rapport à 100 transitions de l ’état fondamental .

Emission g E Eg Energétique En général, on néglige ER

99mTc 99Tc (2.12 105 a) b- (6h) 0.68% 99. 32% Spectre de raies 142 0.140 0.142 MeV 99mTc (6h) 99. 32% 0.68% 99Tc (2.12 105 a) b- 43 Spectre de raies E keV 2 142 140

Conversion interne e- K L *E La conversion interne est produite par la variation du champ coulombien du noyau (direction radiale)

Rayons X et électron Auger de réarrangement Energétique ˜ Probabilité de désintégration Rayons X et électron Auger de réarrangement

55 56 136.950 136.9496 (2.60 min) Exemple

Création de paire interne Energétique ˜

a + X  b + Y X (a,b) Y REACTIONS NUCLEAIRES a: particule incidente X: cible (au repos dans le système du laboratoire b: produit de la réaction léger Y: produit de la réaction lourd X (a,b) Y Energétique Q =

Désintégration d ’un seul radioisotope RADIOACTIVITE Désintégration d ’un seul radioisotope La probabilité pour qu ’un noyau se désintègre pendant dt est indépendante de toute influence extérieure. P(dt) = l dt l = constante de désintégration -dN = P(dt)N = l dt N N = N0 e-lt 1 désintégration / s = 1 Bq (Béquerel) 1 Cu = 3.7 1010 Bq

Activité : quantité de particules émises Période : t ½ ou T

Production par bombardement nucléaire Bombardement d ’un échantillon avec des neutrons produisant une quantité Q de radioisotope Il n ’est pas utile de bombarder plus de 2 à 3 périodes

Désintégration d ’un descendant radioactif. (a) Parent ayant une courte période. (b) Parent ayant une grande période

Exemple - exercice b- 1,357 Mev ? % ? e- ? % ? ? % ? T = 66.5 h b- 0.45 MeV 87% 1,357 Mev ? % ? e- T = 6 h MeV 2 keV 140 keV ? % ? keV 99% 98.906254554 T=2,14.105 ans ? % ? MeV 98.905939307 1) Compléter le schéma ci-dessus 2) calculer le temps où la quantité de 99mTc sera maximum en fonction du nombre initial N10 de

SPECTROMETRIE NUCLEAIRE SYNTHESE Soit une source présentant le schéma de désintégration suivant:

Le spectre d ’une telle source présentera les caractéristiques suivantes: