La radioactivité. E. Baudrin. Bat. D, 1 er étage LS3-Opt Atome radioactif. Energie. Rayonnement.

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1 La radioactivité E. Baudrin Bat. D, 1 r étag mmanul.baudrin@u-picardi.fr LS3-Opt Atom radioactif Enrgi Rayonnmnt Particul

2 La radioactivité procssus naturl t spontané par lqul ls atoms instabls d un élémnt émttnt un xcès d énrgi sous la form d particuls ou d onds Après émission l atom fils put êtr soit un form d plus bass énrgi du mêm élémnt, soit un atom complètmnt différnt Ls particuls émiss ou ls onds sont applés rayonnmnts ionisants car ils ont la capacité d rtirr ds élctrons d atoms d tout matièr avc laqull ils intragissnt

3 Réactions nucléairs Impliqunt ds changmnts dans l noyaux alors qu ls réactions chimiqus impliqunt la prt, l gain ou l partag d élctrons. Ds isotops du mêm élémnt puvnt subir ds réactions nucléairs très différnts, mêm si ls isotops présntnt ls mêms caractéristiqus chimiqus À l opposé ds réactions chimiqus, ls vitsss ds réactions nucléairs n sont pas affctés par la tmpératur, la prssion t la présnc d autrs atoms auxquls l atom radioactif st lié Ls réaction nucléairs, n général, fournissnt baucoup plus d énrgi qu ls réactions chimiqus

4 Découvrt ds rayons William Rontgn: Découvr ls R n 1895 Not qu un matériau phosphorscnt s illumin à plusiurs mètrs d un tub d Crooks qu il utilis Avc écran phosphorscnt, choqué d voir qu s il mt sa main dvant il voit l contours ds os Il n connaissait la natur du rayonnmnt: «rayons» 4

5 Découvrt ds rayons uraniqus Bcqurl: Découvr la radioactivité 1896 Plac différnts élémnts au solil puis ls plac sur ds plaqus photographiqus Un jour sans solil, il a placé l uranium sur cs plaqus dans un tiroir. L jour suivant la plaqu était imprssionné: l énrgi vnait d l uranium

6 Ls radiations d l Uranium Ernst Ruthrford: Découvr ls rayons Alpha t Bta Réalis après d nombruss msurs qu il y a dux typs d radiations émiss par l U. il ls nomm alpha t bta, ls dux prmièrs lttrs d l alphabt grc - la natur précis ds particuls alpha rst un mystèr Paul Villard Découvr ls rayons gamma P. Villard: trouv un radiation pénétrant provnant d l U. Ni alpha ni bta, il donn l nom gamma.

7 Habilités d pénétration ds particuls Particuls alpha stoppés par du papir Particuls bta stoppés par 5 mm d aluminium Rayons gamma stoppés par 30 cm d plomb 7

8 Purification ds élémnts radioactifs Ls Curis Découvrnt l radium t l polonium Prmièr utilisation du trm radioactif (1899) - Activité ds composés d l uranium dépnd sulmnt d la quantité d uranium présnt dans l échantillon - thorium égalmnt radioactif - mis n évidnc d un élémnt plus actif qu l uranium: l radium

9 Dès l départ ds applications 9

10 Dès l départ ds applications 10

11 Dès l départ ds applications 11

12 Durant ctt périod Modèl d la sphèr solid d John Dalton Modèl d la tart aux pruns d J.J. Thomson Modèl planétair d E. Ruthrford Modèl ds orbits élctroniqus d 1 Nils Bohr Modèl Quantiqu d Louis d Brogli & Erwin Schrodingr

13 La radioactivité artificill Joliot-Curi Découvrnt l la radioactivité artificill Bombardmnt d un fuill d aluminium avc ds particuls alpha: production d un nouvau isotop radioactif (radioisotop) l 30 P -Montr qu un radio-isotop non connu dans la natur put êtr fabriqué à partir d un isotop stabl (radioactivité artificill) 13

14 Grandurs du noyau Dimnsions Noyaux mis n évidnc par Ruthrford (voir PACES) Atoms m, Noyaux m Touts ls xpérincs montrnt qu l volum du noyau st proportionnl au nombr d nucléons R R A 1/ 3 0 Avc R 0 =1, fm Mass Noyau = prsqu tout la mass d l atom Unité d mass atomiqu u : l douzièm d la mass d l isotop 1 du carbon 1u , , kg 14 Mass du proton = u Mass du nutron= u Mass d l élctron= 0, u

15 Ls nucléids Mass du proton = x10-7 kg = u Mass du nutron= x10-7 kg = u Noyau contint protons t nutrons u = unité d mass atomiqu Elémnts = atoms qui présntnt l mêm nombr d protons/élctrons ont ls mêms propriétés chimiqus t physiqus. Isotops = élémnts qui ont ds nombrs différnts d nutrons Isotops puvnt êtr stabl ou instabl A Z Nucléid A nombr d nucléons ou nombr d mass Z nombr d chargs ou numéro atomiqu 15

16 Isobars, Isotons, Isotops Isobars xmpl Isotons xmpl Isotops xmpl: Mêm A, Z différnts P 16 S Mêm N, A t Z différnts K Ca Mêm Z, A différnts 1 1 H 1 H 3 1 H Hydrogèn Dutérium Tritium No. d nutrons I S O T ON E S S S O O T B O A P R E E S S No. d protons Diagramm trilinéair Forms isotopiqus d un mêm élémnt 16

17 Exmpl: isotops d l hydrogèn Hydrogèn 1 proton + 1 lctron stabl Dutrium 1 proton + 1 nutron + 1 lctron stabl Tritium 1 proton + nutrons + 1 lctron instabl Abondancs isotopiqus 1 H 1, u 99,9850% D, u 0,0115% 3 T 3, u tracs M H = 1,0079 g.mol -1 17

18 Autrs xmpls 4 H A 4 u Z = N = A Z 1 6C A 1 u Z = 6 N = A Z 14 N 7 A 14 u Z = 7 N = A Z élctrons, protons nutrons 6 élctrons, 6 protons 6 nutrons 7 élctrons, 7 protons 7 nutrons 37 17Cl A 36,9659 u 4.% 35 17Cl A 34,9688 u 75,78% 18 M Cl 35,45 g.mol -1

19 Enrgis Unité d énrgi du systèm intrnational: l Joul inadapté Utilisation d l élctron-volt (V) (énrgi cinétiqu d un élctron accéléré sous un différnc d potntil d 1 volt) 1 V = 1, J Unités kv MV GV 10 3 V 10 6 V=1, J 10 9 V Equivalnc mass-énrgi Un particul d mass m possèd un énrgi E = mc (1 u) c = 1, ( ) = 1, J = 931,5 MV 1 u = 931,5 MV/c 19

20 Stabilité nucléair Intraction élctrostatiqu= forc qui xpliqu l attraction ds chargs élctriqus opposés Intraction Fort = la forc ntr ls nucléons (protons t nutrons) Intraction Faibl Intraction Porté Intnsité Elctromagnétiqu Infini 10-4 Nucléair fort m 1 Nucléair faibl < m 10-7 Ls nutrons augmnt l attraction d la forc fort sans augmntr la répulsion ntr nucléons Compétition ntr cs 3 intractions: stabilité ou instabilité noyau 1. Nucléids avc nombr pair d nucléons (p +n) plus stabls qu cux avc nombr impair d nucléons. Crtain nombrs d protons ou nutrons apparaissnt favorisr la stabilité. Ls nombrs magiqus sont :, 8, 0, 8, 50, 8, 16

21 Différnts typs d radiations émiss Particuls a: noyaux 4 Particuls b - : élctrons H Particuls b + : positons Rayons g t : photons

22 Diagramm trilinéair Stabilité rlié au rapport N:P Faibl numéro atomiqu N:P ~ 1:1 Grand numéro atomiqu N:P ~ 1,6:1 Stabilité rgagné par un procssus d désintégration radioactiv

23 Mods d émission Noyaux instabls par xcès d protons - sous la lign d stabilité - réaction nucléair intrn: 1 proton 1 nutron Emission d un positon (b + ) Noyaux instabls par xcès d nutrons - au dssus d la lign d stabilité - réaction nucléair intrn: 1 nutron 1 proton Emission d un élctron (b - ) Noyaux lourds (A > 140) - xcès d nucléons - fission spontané Emission d un particul a

24 Procssus d désintégration radioactiv a Nucléids avc Z > 8 Particul a 4 H a 4 A Z A 4 Z Y 4 a E a Où E a rprésnt l énrgi cinétiqu ds particuls alpha émiss Consrvation d l énrgi M c M Y c M a c E a E a M c ( M Yc M ac ) donc 4 E M.c a

25 Désintégration a: spctr d rais L énrgi ds particuls α émiss st caractéristiqu du radioélémnt émttur Bi 81Tl 4 a 5

26 Désintégration a Propriétés ds particuls a - très énrgétiqus (3 à 10 MV) - lourds (6, kg) - lnts ( 10 7 m.s -1 ) - pu pénétrants Présnc d états xcités: émission d photons g (hn) 6

27 Filiations radioactivs Généralmnt ls atoms lourds instabls rquièrnt un séri d désintégrations alpha t bta l obtntion d un élémnt plus légr plus stabl U H Th Th Pa 7

28 Procssus d désintégration radioactiv b Réaction nucléair: A Z Noyau fils évntullmnt dans un état xcité Consrvation d l énrgi S produit lorsqu l rapport N:P trop grand Transformation d un N n P avc émission d un élctron Y A 0 Z 1 1 M c 0 1 M n p A Z Y c A * Y Z m c b Eb E b M c ( M Y c m c ) 8

29 9 Procssus d désintégration radioactiv b ) ( m c c M c M E Y b M st la mass du noyau t m la mass d l atom: m Z m M. D mêm: Y Y m Z m M ). ( 1 ) 1). ( (. m c m c Z c m m c Z c m E Y b ). ( c m m E Y b On obtint n Y A Z A Z En fait l énrgi libéré s partag ntr particuls (b - t l antinutrino d charg null t d mass faibl)

30 Procssus d désintégration radioactiv b : caractéristiqus Notions d nutrino t antinutrino - problèm d consrvation d l énrgi hypothès d Pauli obsrvation nutrino - Mass négligabl Spctr continu E c put prndr ds valurs ntr 0 t E b max (répartition ntr - t antinutrino) 30

31 Procssus d désintégration radioactiv b : caractéristiqus Propriétés ds particuls b - - Enrgi d 0 à qulqus MV mais généralmnt d l ordr d 100kV - légèrs - vitss élvé - plus pénétrants qu a - moins ionisant qu a Présnc d états xcités Iod I 131 * n * hn g Cobalt Co 60 * 0 7 Ni 8 1 n 0 0 Rtours à l état fondamntal par émission g n cascad 31

32 Applications médicals b Radiothérapi vctorisé: administration d un molécul, contnant un émttur b -, spécifiqu d l anomali à traitr Injction 131 I: métastas cancr thyroïdin différncié Injction ttraphosphat 153 Sm: métastas ossus Iod 131 Périod radioactiv (dmi-vi) 3 8,04 jours Emissions b - E = 606 kv (89%) L rst ntr 48 t 807 kv Emissions g E = 364 kv (81%) E = 637 kv (7%) E = 84 kv (6%)

33 33 Procssus d désintégration radioactiv b Pour ls noyaux trop richs n protons Transformation d un P n N avc émission d un positon (n anglais positron) n p b Réaction nucléair: n b Y A Z A Z Consrvation d l énrgi b E m c c M c M Y ) ( m c c M c M E Y b

34 34 m Z m M. Y Y m Z m M ). ( 1 ) 1). ( (. m c m c Z c m m c Z c m E Y b ). ( c m m m E Y b On obtint Procssus d désintégration radioactiv b : caractéristiqus Spctr continu

35 Procssus d désintégration radioactiv b : caractéristiqus Propriétés ds particuls b + -Enrgi d 0 à qulqus MV mais généralmnt d l ordr d 100kV - légèrs - vitss élvé - Non pénétrants (annihilation) Annihilation= rncontr positon élctron Emission d photons g (E = 511 kv) d - mêm dirction - sns opposés 35

36 Applications médicals b Tomographi par émission d positons (TEP): détction d photons produits par annihilation d positons Injction d fluorodésoxyglucos- 18 F: fixation sur tissus consommaturs d glucos (tissus cancérux, crvau, ) 36

37 Captur élctroniqu En xcès d protons, la stabilité put êtr obtnu par un procssus différnt qu la désintégration b + Un élctron orbital st capturé par l noyau t un nutrino émis Généralmnt, l noyaux st obtnu dans un état xcité t rtourn à l état fondamntal n émttant un photon gamma. Dans tous ls cas, émission d un photon caractéristiqu d l atom A Z 0 A 0 1 1Y n n 0 h ( hn Z g ) 37

38 Captur élctroniqu L réarrangmnt du cortèg élctroniqu put aussi s fair par fft Augr Y Y A * A 0 Z 1 Z 1 1 Applications médicals Augr désintégration 15 I: dosags hormonaux n radioimmunologi Curi thérapi à 15 I: traitmnt tumurs d la prostat 38

39 Emission d rayons g Désxcitation du noyau fils issu d la radioactivité a, b ou captur élctroniqu par émission d un photon g 60 Co Ni 0,318 MVb 1,17 MVg 1, 33MVg Spctr d rais caractéristiqu d l élémnt radioactif: idntification d isotops inconnus t calibration 39 d instrumnts

40 Résumé ds procssus d désintégration radioactiv Trois désintégrations principals a, b, g Typ d radioactivité Particul émis Changmnt dans l nombr d mass Changmnt d numéro atomiqu Alpha Noyau d hélium -4 - Béta - Particul b Pas d changmnt +1 Gamma Enrgi Pas d changmnt Pas d changmnt Béta + Positon Pas d changmnt -1 Captur élctroniqu Photon Pas d changmnt -1 40

41 Intractions avc la matièr 41

42 Rayonnmnts ionisants Protons Ionisation dirct Ionisation indirct Nutrons Particuls Alpha Rayons Gamma Particuls Bta- (élctron) Rayons Particuls Bta+ (positon) 4

43 Enrgi d liaison Quantité d énrgi émis lorsqu un noyau s form Enrgi d liaison = énrgi associé au défaut d mass (La mass du noyau st infériur à la somm ds masss d ss constituants) Enrgi d liaison d un atom A Z B Enrgi d liaison par nucléon: B/A ( Zm Zm ( A Z ) m m ) c p Enrgi d liaison: assur la cohésion du noyau (pas d pris n compt ds élctrons) énrgi à fournir pour dissocir ls constituants du noyau Exmpls 1 C t 56 F n W W 1 56 C F / A 0,0989 *931,5 /1 7,7MV / A 0,584 *931,5 /1 8,8MV 56 F plus stabl qu 1 C

44 Courb d Aston