La radioactivité les émissions de rayonnements et particules par les atomes
1895 - Roentgen découvre les rayons «X» 1896 - La radioactivité de l'uranium - H. Becquerel (F) 1898 - Le Polonium puis le Radium - P. et M. Curie (F) 1915 - Structure de l'atome - Bohr (D) 1934 - La radioactivité artificielle - F. Joliot et I. Curie (F) 1938-39 - La fission de l'uranium - Hahn, Strassmann, Meitner (A) 1939 - La réaction en chaîne, possibilité d auto entretien d une réaction en cascade dans une masse de matière (uranium) - brevet Joliot et Kowarski (F) 1942 - la pile atomique de Fermi (Chicago) 1945 - l arme atomique 1948 - La pile ZOE (REA) (F - EL1) 1952 - Pile expérimentale (F - EL2) 1957 - Pile expérimentale (F - EL3) 1956 Marcoule (kwh nucléaire) (F - G 1) 1966 Brennilis (F- EL4) 1950 - Recherche sur la fusion nucléaire: La fusion - ( le soleil sur terre) TOKOMAK et ITER (2025?)
Les Rayons X Les rayons X sont produits par le passage d un électron dans un atome ( il n y a pas transformation du noyau de l atome) Énergie 124 ev à 124 Kev
Fenêtre de l obturateur mobile Protections Quelques mm de plomb
Roentgen et la radiographie X de la main de Madame Roentgen 1895
la radioactivité des atomes
La radioactivité est un phénomène fondamental de la matière. Elle a été découverte il y a un siècle (120 ans) par Becqerel, Pierre et Marie Curie. Son importance est considérable ; en un siècle elle a permis de très grands progrès dans de nombreux domaines. Par contre elle présente des risques qu il faut maitriser. Avec la radioactivité nous allons rentrer dans le monde de l infiniment petit par les transformations des atomes. La radioactivité, terme inventé vers 1898 par Pierre et Marie Curie est un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément en d autres noyaux, avec dégagement d énergie sous forme de divers rayonnements.
En 1896, en étudiant la fluorescence d un minerai d uranium après exposition à la lumière du soleil Henri Becquerel met en évidence l existence des rayons uraniques sans intervention de la lumière. En 1898 Marie Curie et Pierre Curie étudiaient les rayons uraniques à partir de sels d uranium dans de la pechblende, un minerai d Uranium; Marie Curie et Pierre Curie isolent un nouvel élément, le Polonium fortement émetteur de «rayonnements ionisants» puis le Radium et explique ainsi «les rayons uraniques». Ces éléments émettent spontanément des particules alpha, noyau d hélium (2 protons et 2 neutrons). C est la découverte de la radioactivité naturelle. Pierre Curie était spécialiste de l électromètre qui a permis de mesurer l intensité du passage de particules ionisantes ; c est le cas de la particule alpha qui ionise le gaz traversé créant des ions+ et électrons - Il s en suit une course pour réaliser de grandes sources de particules alpha, Radium ou Polonium. Frédéric Joliot et Irène Curie découvriront en 1934 la radioactivité artificielle en utilisant une source alpha de Polonium.
Marie Curie crée durant la Première Guerre mondiale, un service de radiologie mobile pour soigner les blessés. Les rayons X permettent alors d améliorer les conditions d opérations chirurgicales. Marie Curie s éteint en 1934, à 67 ans des suites d une Leucémie à laquelle les rayons X et les manipulations d éléments radioactifs ne sont pas étrangères. Irène sa fille scientifique ( Irène Joliot-Curie) meurt le 17 mars 1956 à 59 ans d'une leucémie résultant d'une surexposition aux rayonnements radioactifs au cours de son travail, probablement aussi lorsqu'elle assistait sa mère sur le front de la première guerre mondiale vers ses 17 ans, pour faire des radiographies des blessés afin d'aider les chirurgiens. Frédéric Joliot (nommé ensuite Joliot-Curie) décède à 58 ans.
Autoradiographie d une page du cahier de laboratoire de Marie Curie
Origine de la radioactivité Les atomes sont des structures complexes de neutrons et de protons, avec un cortège électronique. Un noyau peu être instable parce qu il n a pas assez ou qu il a trop de neutrons par rapport au nombre de protons d équilibre optimal stable. Depuis la découverte de la radioactivité artificielle en 1934, les scientifiques ont développé de nombreuses possibilités de perturber le noyau et les électrons en projetant (bombardant) des particules proton, neutron, alpha, électrons, gamma:.soit provenant d un autre noyau instable,.soit par des appareils accélérateurs: cyclotron, synchrotron, accélérateurs linéaires ou circulaires, réacteurs nucléaires qui sont des grandes sources de neutrons.
Un atome se transforme spontanément quand il y a un certain déséquilibre de protons et neutrons dans le noyau. Ce déséquilibre peut être dans un atome naturel : radioactivité naturelle ou a été provoqué par un corpuscule étranger neutron ou proton, alpha, électron projeté, ou un rayonnement externe gamma, c est alors la radioactivité artificielle.
Les noyaux en orange n ont pas assez de neutrons et les noyaux en bleu ont trop de neutrons. La radioactivité résulte de ce déséquilibre. Les atomes stables sont en noir. 81 éléments stables Certains éléments stables ont plusieurs isotopes stables
81 éléments chimiques stables 92 éléments chimiques naturels, 103 éléments naturels ou artificiels ( mais ça continue.) 3500 isotopes de ces 103 éléments; la plus part sont radioactifs. La plus part des atomes de la nature ont atteint un état stable depuis leur fabrication ou leur transformations dans les étoiles, mais il reste encore quelques uns radioactifs (uranium, radium, polonium, potassium,.) Mais comment se manifeste la transformation des atomes radioactifs (ou instables)?
Radioactivité alpha Pour diminuer son nombre de neutron en excédent, le noyau éjecte spontanément une particule alpha, un noyau d hélium 2 protons et 2 neutrons. Par l émission de la particule alpha l atome initial change de numéro atomique de deux unités et sa masse atomique de quatre. Dans l exemple le radium 226 devient du radon 222: deux numéros atomiques en moins et quatre unités de masse atomique en moins. 226 222 Particule alpha 2 protons 2 neutrons Soit 2 charges + 4 unités de masse
Radioactivité Béta C est l émission par l atome d un électron de charge négative radioactivité béta moins (β - ) ou une charge positive, radioactivité béta plus (β+) 1 neutron peut devenir 1 proton si on lui enlève une charge moins, un électron. 1 proton peut devenir 1 neutron si on lui enlève une charge positive électron beta plus (β+) ou positon. Par l absorption d une charge l atome initial change de numéro atomique de une unité. Dans l exemple le cobalt 27 devient du nickel 28 et un électron est éjecté, c est la particule béta moins (β-). En devenant un proton, le neutron éjecte un électron et le ré équilibrage du cortège électronique peut s accompagner d émissions de rayonnement gamma.
Radioactivité béta Radioactivité Béta moins (β-) Pour corriger un dans le noyau. Un neutron devient un proton en libérant une particule béta moins (un électron )
Si c est un proton qui devient un neutron, une particule Béta plus (β +) est éjectée, on dit parfois un positon ou électron plus (un proton égal un neutron et une charge plus). Un β et un β + ont les mêmes effets en terme de risques
stable
Hélium 3 (2 protons masse atomique 3) Hydrogène 3 ou tritium (1 proton masse atomique 3) électron β de 5,7 kev L atome de tritium se transforme en hélium 3 stable par une désintégration β Dans cet exempl il n y a pas de gamma. Ces électrons émis sont rapidement arrêtés dans l'eau et dans les tissus biologiques, après avoir parcouru seulement 6 μm tout au plus (donc rapidement arrêtés par la simple surface épiderme de la peau humaine.
MeV? Million d électron Volt Dans ces exemple on voit apparaitre une unité d énergie, en électron volt (ev). C est l énergie véhiculée par un électron accéléré par un champ électrique de un volt(v). 1 ev = 1,602 176 10 19 joule (J) 1MeV = 1 méga *électron *volt= 1,602 176 10 13 joule (J) Toutes les tables donnant les caractéristiques des radioéléments seront dans cette unité ev ou kev ou MeV
Émission de rayonnement gamma Les rayons gamma sont de nature électromagnétique (onde et corpuscule photon) comme la lumière mais ils sont très énergiques donc très pénétrants
En résumé chaque isotope naturel ou artificiel:
Les alphas (α) et betas (β) sont des particules: noyau d hélium et électron. Les rayons X, les gammas (γ ) sont des rayonnements électromagnétiques. Cette distinction est très importante pour les mesures, les risques et la protection.
Barrières Protections physiques Les rayons X sont arrêtés par quelques mm de plomb ou équivalent en masse. Pour les neutrons c est plus complexes car ricochets sur les murs; il faut des épaisseurs comme pour gamma avec chicanes pour se parer des neutrons réfléchis.
Les rayonnements X et gamma (γ) sont des ondes électromagnétiques
ev kev MeV
La relation de Planck Einstein : le rayonnement EM de fréquence f transporte de l énergie: La relation donne l équivalence entre l énergie de la particule photon et fréquence de l onde associée : E= hν = hc /λ où h est la constante de Planck = 6,626 10-34 J.s ; ν est la fréquence de l onde associée au photon, c la vitesse de la lumière, λ est la longueur d onde de l onde associée.
Période radioactive Les éléments radioactifs qui ne sont pas dans un état stable se transforment pour se rapprocher de l état optimum de stabilité nombre de protons et nombre de neutrons. Chaque isotope a sa période propre; cette période est très précise, invariable.
Transformation radioactive la période d un isotope radioactif Le nombre de transformations de noyaux d une masse d un isotope radioactif est proportionnel à la quantité de noyau père restant. La radioactivité d une masse d un isotope diminue donc dans le temps : dn/dt = - λn. N nombre noyaux radioactifs, λ la constante radioactive de cet isotope. ce qui donne une courbe exponentielle décroissante de N (t)= N0e -λt. on dit (e puissance λt) e est la base des logarithmes népériens (2,71828). Le taux de radioactivité,c est à dire le nombre de transformations par seconde est A = λ N. Chaque isotope a sa constante λ ; si on considère le temps T pour obtenir une diminution de moitié on a : N= N0 e -0,693t/T ; 0,693 est le log népérien de 2. ceci conduit à la notion de période T. La période est une constante caractéristique d un radio-isotope; c est le temps que met une quantité de ce radio-isotope radioactif à diminuer sa radioactivité par 2. Pour un isotope donné, λ est immuable (probabilité sur un grand nombre d atomes identiques instables). Les tables des radio-isotopes indiquent la période et les émissions radioactives pour tous les radio-isotopes. On se sert de cette propriété pour les horloges atomiques d une remarquable précision référence du temps aujourd hui, indispensables pour l astrophysique, les GPS.
No N (t) t
La période
1000 A0 A0/2 Très pratique : une exponentielle sur un papier logarithmique est une droite! 100 A0/4 A0/8 Constat: la radioactivité n est jamais nulle quelle que soit la durée. 10 400/64= 6,4 A0/2 6 = 64 1 0 1 2 3 4 5 6 Nombre de périodes
Filiation radioactive Le résultat de la transformation d un élément radioactif est un nouvel élément. Ce nouvel élément peut encore être radioactif et ainsi de suite, de père en fils, petit fils etc jusqu à parvenir à un élément stable. On verra ainsi que partant de l Uranium 238 de période 4,47 milliard d années aboutit au plomb 206 stable après 13 transformations. La radioactivité d une masse d uranium initiale va devenir un mélange de la radioactivité de l uranium 238 restant et de ses 13 descendants; le mélange aura une période composée et une radioactivité de rayonnements et particules composées; il faudra en tenir compte pour évaluer les effets biologique du mélange. Ces filiations sont nombreuses; par exemple, le Strontium 90 donne de l Ytrium 90 avec émission béta pure selon une période de 28,79 ans; l Ytrium 90 donne du Zirconium 90 stable avec émission béta pure selon une période de 64 h. Le résultat est l émission de rayonnement des deux radio-isotopes.