RADIOACTIVITÉ NATURELLE Physique nucléaire Chapitre 15 RADIOACTIVITÉ NATURELLE

Radioactivité naturelle Le chapitre précédent a porté sur les isotopes stables. Il existe aussi des isotopes instables, radioactifs. Comment peut-on les observer ? Quelles sont les lois qui gouvernent la stabilité des noyaux et celles qui régissent les modes de disparition des noyaux instables ?

Historique de la radioactivité naturelle b g Découverte de la radioactivité naturelle par H. BECQUEREL (1896). Séparation du premier radioélément connu, le radium par P. et M. CURIE en 1898. Électroaimant Source radioactive

Détecteurs et compteurs de particules Le passage d’un rayonnement g dans la cellule provoque la formation de paires d’ions tout au long de sa trajectoire. Ceux-ci sont récoltés par les électrodes et le courant résultant est amplifié, enregistré, ... + + + + + - compteur Ampli g Compteur GEIGER

Détecteurs et compteurs de particules +++++ - - - - - i Chambre d’ionisation Compteur à scintillations

Les instruments développés pour étudier les diverses émissions Nombre d’ions 108 104 1012 2,5 5 7,5 10 × 100 volts L’électroscope. Le compteur GEIGER-MÜLLER : rayonnements g Le détecteur CÉRENKOV. La chambre d’ionisation : détection des particules La chambre à détente de WILSON rayonnement a Le compteur à scintillations : La chambre à bulles. Le compteur proportionnel. b a

Vapeur d’eau près de sa vapeur saturante Chambre de WILSON Vapeur d’eau près de sa vapeur saturante Caméra haute vitesse Une particule, a par exemple, ionise le gaz. Les ions catalysent une liquéfaction partielle autour de la trajectoire. Il ne reste qu’à prendre la photo ... a

Le rayonnement a Rayonnement a  noyau d’hélium He++ 1ère loi de SODDY Un élément radioactif qui se désintègre avec émission de rayons a engendre un élément qui a rétrogradé de deux places dans la classification périodique. Sa masse atomique est inférieure de quatre unités à celle de l’élément générateur.

Le rayonnement a : caractéristiques Ces particules sont absorbées par de très minces couches de matière. Les rayons a émis par un élément : ont tous un parcours identique dans l’air ; sont émis avec une énergie bien déterminée (3 à 8 MeV) ; sont pratiquement absorbés par les parois des récipients qui contiennent les produits radioactifs.

Théorie de l’émission a L’uranium 238 émet naturellement un rayonnement a avec une production de thorium. r Énergie (MeV) Énergie Nombre de particules Émission a 8 4 a : 8 MeV 4,19 MeV GAMOV : Effet tunnel

Le rayonnement b antineutrino La loi de conservation de la masse exige que la transmutation se réalise selon la loi suivante : 2e loi de SODDY : Un élément radioactif qui se désintègre avec émission de rayons b- engendre un élément qui a avancé d’une place dans la classification périodique. Sa masse atomique est égale à celle de l’élément générateur.

Rayonnement b et distribution d’énergie Nombre de particules 0,5 1,5 MeV 1,0 Em Emoy Énergie moyenne des neutrinos Emax L’énergie maximum Emax est caractéristique de l’élément émetteur.

Radioactivité b+ Il existe aussi une émission d’un rayonnement constitué d’électrons chargés positivement : ce sont des positons. neutrino

Radioactivité b- et b+ 4 N Z N b+ O 4 8 8 Ligne de stabilité B b- B b- 12 7 N b+ 17,36 MeV 16,34 MeV O 4 8 8 4 Z N Ligne de stabilité 12 5 B b- 12 5 B 13,4 MeV 4,433 MeV b- g 12 6 C 12 7 N b+ C 12 6

Structures nucléaires de trois isobares p n p n p n

La capture électronique Il existe aussi une forme inverse d’émission b appelée la capture électronique. Un électron orbital se combine à un proton pour former un neutron. Il y a alors émission de rayonnement X.

Le rayonnement g La loi de conservation de la masse se traduit par : La loi de conservation de la quantité de mouvement exige que l’atome S soit propulsé avec une vitesse de recul au moment de l’expulsion du photon g. g * 

Le rayonnement g Les rayons g sont de même nature que les rayons X. La diffraction par les cristaux permet seulement de mesurer les rayons g de courte longueur d’onde. On peut alors utiliser l’effet photoélectrique par ces g (sur l’étain, par exemple) et mesurer l’énergie maximum des photoélectrons produits avec un spectrographe b. L’effet COMPTON observé à la chambre de WILSON peut aussi être utilisé. Le grand pouvoir de pénétration des rayons g les rend très dangereux.

Interaction des rayonnements nucléaires avec la matière Deux facteurs importants contribuent à la diminution de l’intensité d’une radiation : la loi de l’inverse carré de la distance; la probabilité d’absorption par la matière. Le premier est un facteur géométrique. Le second est lié à la nature du rayonnement et à la nature du milieu absorbant. I = I0 e-µd 2 r r Abs = (1/r2)

Rayons a et b L’interaction se fait essentiellement entre les particules et les électrons du matériau absorbant. Chaque radiation perd son énergie par une succession de formation de paires d’ions : (particules)** + M  M+ + e- + (particules)* Dans l’air, la création d’une paire d’ions nécessite en moyenne une énergie de 35 eV. La particule crée environ 30 000 paires d’ions pour chaque million d’électron-volts d’énergie initiale. L’ionisation spécifique dépend de l’énergie de la particule.

Rayons a et b Chaque radiation perd aussi son énergie pour former des atomes excités : (particules)** + M  M* + (particules)* Les deux processus comptent pour environ 50 % chacun. La masse et la charge plus élevée des rayons a font que ceux-ci interfèrent plus facilement avec la matière ( 25 fois plus que les rayons b). Le pouvoir de pénétration du rayonnement a est donc beaucoup plus faible que celui des rayons b. I = I0 e-µd

Absorption comparée de divers rayonnements

Rayons g Une radiation électromagnétique a une probabilité beaucoup plus faible d’interaction avec la matière, donc un pouvoir de pénétration plus grand. L’interaction se fait par : l’action photoélectrique, t, ou production directe d’une paire d’ions ; l’effet COMPTON, s, ou choc de photon sur un électron libre et production d’un autre photon ; l’annihilation du photon, p, et production d’une paire électron-positon : g  e+ + e- + 1,02 MeV

Modes d’absorption du rayonnement g par le plomb 0,1 1 10 100 Énergie : MeV 5 4 3 2 1 µ (cm-1) Cas du plomb Total : m t : effet photoélectrique I = I0 e-µd p : production de paires e - + e + m = t + s + p s : effet COMPTON

Unité de rayonnement : le béquerel Le béquerel : c’est l’activité d’une matière radioactive qui subit une désintégration par seconde (symbole : Bq) (unité SI). Le Curie: c’est le nombre de désintégrations par seconde engendrées par 1 gramme de radium en équilibre avec ses sous-produits : de 3,700 × 1010 désintégrations par seconde. Il s’ensuit que 1 Curie vaut 3,7 × 1010 Bq .

Unité de rayonnement : le gray Le gray correspond à une énergie de 1 joule absorbée par 1 kg de matière (symbole : Gy) (unité SI). On définissait le röntgen comme la quantité de rayons X ou g qui produisait dans 1 cm3 d’air (sec, TPN) une unité électrostatique d’ions positifs ou négatifs. On définissait le Rad comme la dose quelconque de radiation ionisante qui produit une énergie absorbée de 100 ergs par gramme de tissus vivants (système CGS). On préfère maintenant le sievert (Sv) : 1 sievert est la dose dont l’effet est égal à celui d’un rayonnement X de 200 à 250 kV.

Absorption d’énergie par des tissus humains La commission internationale de protection radiologique a fixé à 100 mSv sur 5 ans la limite à ne pas dépasser pour les travailleurs avec possibilité d’atteindre 50 mSv en une seule année. En comparaison, le rayonnement dû au radon crée une exposition de la population correspondant à une dose efficace de l’ordre de 1,2 mSv/an. Les examens médicaux (rayons X,...) entraînent une exposition annuelle bien entendu variable d’un patient à un autre, de 0,4 à 1 mSv.

La contamination environnementale L’absorption de radionucléides se fait principalement par la voie digestive et par inhalation. Les essais nucléaires ont laissé plus de 4 tonnes de plutonium dans l’atmosphère (dans l’hémisphère nord, 10 à 20 Bq par individu). L’accident de Tchernobyl a laissé des niveaux de contamination élevés en 137Cs sur tout le territoire de l’Europe centrale : dans certains endroits supérieurs à 40 000 Bq/m2.

La décontamination Les processus de décontamination font largement appel à la complexation des éléments radioactifs, en particulier pour la décontamination des sols. Pour les êtres humains, l’agent complexant doit bien sûr : être sans danger pour l’individu ; et ne pas complexer les métaux nécessaires à la vie (Fe, Cu…). Exemples : le DTPA pour le plutonium et élimination par voie urinaire ; le bleu de Prusse pour le 137Cs et élimination par les matières fécales ; boire beaucoup d’eau éliminera l’eau tritiée ...

Étude de la désintégration en fonction du temps Pour chaque élément, l’intensité de l’émission est directement proportionnelle à la masse de l’échantillon. La courbe expérimentale d’activité en fonction du temps est représentée par la formule : l la constante radioactive de l’élément émetteur. Cette constante est caractéristique de l’élément émetteur.

La période T La période T est le temps pendant lequel l’activité de l’élément diminue de 50 % : no / 2 = no e- l t1/2 = no e- l T T = ln 2 / l = 0,693 / l La période, liée directement à l, est donc une caractéristique d’un élément. La période peut être très longue comme dans le cas de l’uranium 238 dont la période est de 4,51 × 109 ans ou celle du thorium C' (polonium 212) qui est de 0,3 µs. L’activité d’une substance radioactive n’est pas altérée par les variations de pression ou de température.

Périodes de quelques éléments radioactifs

Isotopes radioactifs du mercure

La demi-vie O T 1 T 2 T 3 T 4 T temps t = 0 t = T t = 2 T t = 3 T

L’horloge nucléaire La loi de désintégration radioactive est utilisée pour mesurer l’âge de divers objets ou de l’âge de l’univers. Exemple : la méthode de datation au carbone-14 : Le carbone-14 est formé en haute altitude. Il est assimilé par le règne végétal. Sa disparition après la mort biologique permet d’évaluer l’âge de l’objet. Exemples : peintures, bois ,… venant de loin.

Équilibre entre substances radioactives A*  B*  C*  D*  E*  F* . . . . où A*,… sont des éléments radioactifs. La concentration d’un élément interne de la série est en équilibre : cet équilibre est atteint lorsque le nombre d’atomes de C* (par exemple) formé par unité de temps est égal au nombre d’atomes de C* qui se désintègrent pendant le même temps. La loi qui gouverne ces équilibres :

Séries radioactives La loi précédente trouve son application dans 3 séries radioactives bien connues. L’élément initial (grand-père) a une période de l’ordre de 109 années. Il n’a pas eu le temps de disparaître depuis la création de l’univers : la série 4n initiée par le thorium 90 ( M = 232, soit 4 × 58 ) ; la série 4n + 2 initiée par l’uranium 92 ( M = 238, soit 4 × 59 + 2 ) ; la série 4n + 3 initiée par l’uranium 92 ( M = 235, soit 4 × 58 + 3 ) ; la série 4n + 1 initiée par le neptunium 93 est disparue : période du «grand-père» de l’ordre de 106 années.

Les séries 4n et 4n + 2

D’autres éléments radioactifs naturels

Conclusion Les rayonnements alpha, bêta et gamma sont les principales particules émises lors de la disparition des noyaux instables (radioactifs). Le pouvoir pénétrant est faible pour le rayonnement a et très élevé pour le rayonnement g. L’adsorption de ces rayonnements suit une loi du type inverse carré de la distance. Le rayonnement g produit différents sous-produits dépendant de son énergie initiale : effet photoélectrique et effet COMPTON, production de paires électron-positon.

Conclusion La loi de désintégration radioactive suit une loi exponentielle de telle sorte que la moitié des noyaux instables ont disparu après un temps identifié à la période de l’élément émetteur. Cette période étant caractéristique de chaque élément émetteur, on a pu mettre au point des horloges qui permettent de dater certains événements sur quelques années, sur quelques siècles ou sur les âges géologiques. Finalement, les noyaux instables sont pour la majorité les enfants et les petits enfants de trois noyaux instables dont la durée de vie est de l’ordre du milliard d’années de telle sorte qu’ils n’ont pas eu le temps suffisant pour disparaître complètement.