Désintégration radioactive des éléments

La structure de l’univers La désintégration radioactive dans le contexte de la structure de l’univers

La formation de l’univers a conduit à la formation de plusieurs éléments prédisposés aux transformations nucléaires . Chaque désintégration radioactive que nous pouvons décrire est capable de nous donner beaucoup d’informations sur des sujets étroitement liés à un noyau particulier (sa structure, les états énergétiques existants et les interactions), mais fournit également des informations sur l’origine de l’univers. Il a été prouvé empiriquement qu’il existe trois principaux types de rayonnement, qui sont divisés par la capacité de pénétrer à travers la matière :

1. Le rayonnement alpha (α) , qui a la forme de noyaux d’hélium et présente une faible perméabilité, ce qui signifie en pratique une difficulté à pénétrer une feuille de papier mince ;
2. Le rayonnement bêta (β) , qui est décrit comme des électrons ou des positrons de même masse mais de charge opposée, est capable de pénétrer dans l’aluminium jusqu’à env. 3 millimètres ;
3. Le rayonnement gamma (γ) , qui correspond aux photons, a la meilleure capacité de pénétration comparable à la pénétration dans le plomb jusqu’à deux centimètres ou plus.

Histoire des désintégrations radioactives

L’histoire des désintégrations radioactives a été initiée par Antoine Becquerel, qui a observé en 1896 que si l’on met une roche riche en uranium dans une boîte fermée avec un film photographique, le film deviendra noir. Il a conclu que cela était dû à l’émission de rayons invisibles à l’œil nu. Avec les connaissances actuelles, nous pouvons donner au moins trois arguments suggérant l’origine nucléaire de tels rayons :

1. État chimique : la forme d’un élément particulier à l’état libre ou dans un composé chimique n’affecte pas sa capacité radioactive ;
2. Les facteurs externes affectant les électrons dans l’atome , tels que la pression ou la température, n’affectent pas les propriétés radioactives ;
3. Les transitions d’électrons communément connues dans l’atome ne génèrent pas d’énormes quantités d’énergie pouvant atteindre des millions d’électronvolts.

Aujourd’hui, les rayonnements sont définis comme des processus de nature nucléaire qui transforment la masse en énergie.

Rayonnement alpha, bêta et gamma

Les propriétés électriques des rayonnements peuvent être observées grâce à leurs mouvements se produisant dans un champ magnétique homogène. L’identification de chaque type de rayonnement avec leurs molécules correspondantes est basée sur la formule de la force magnétique de Lorentz . En supposant une émission horizontale à partir du point d’une source radioactive, les particules à charge positive sont inclinées vers le haut, celles à charge négative sont inclinées vers le bas et les particules sans charge pénètrent à travers le champ magnétique, sans affecter le trajet d’émission. Le rayonnement alpha correspond à l’émission d’un noyau d’hélium ⁴ He . Le rayonnement bêta peut se produire de deux manières : sous forme d’électrons (β ^– ) ou de positrons (β ⁺ ). Le rayonnement gamma détermine une émission de photons à haute énergie.

Désintégration alpha

Il se caractérise par des noyaux de poids et chimiquement instables. Lors de la désintégration, le noyau perd deux protons et le même nombre de neutrons, ce qui implique la réduction de son numéro atomique par deux et de son nombre de masse par quatre unités. Le résultat de cette transformation est un atome d’hélium. Le noyau émetteur est appelé noyau primaire, et celui produit lors de la désintégration est appelé noyau secondaire. La notation de base de la désintégration radioactive alpha peut être présentée comme suit : La première partie d’une telle notation, c’est-à-dire , constitue le noyau primaire, le noyau secondaire est , tandis que est la particule alpha. Un exemple de désintégration alpha peut être une transformation de l’isotope de l’uranium ²³⁸ U, au cours de laquelle le numéro atomique est réduit par deux. La désintégration peut être notée par l’équation suivante : L’énergie libérée lors de la désintégration alpha est égale à l’énergie cinétique des noyaux d’hélium et de thorium. En raison de la masse des noyaux de thorium, et donc de leur vitesse plus faible, l’énergie cinétique des noyaux d’hélium est plus élevée.

Désintégration bêta

Cela peut se produire de deux manières : avec l’émission d’électrons ou de positrons. Leurs charges sont opposées mais leur masse est identique , donc parfois un positron peut être appelé antiélectron. Lorsqu’ils envisageaient la désintégration radioactive bêta, les scientifiques utilisaient généralement le modèle d’une molécule (un électron ou un positon) bornée dans le noyau, qui s’en échappe lors de la désintégration. Cette hypothèse a été contestée, car sur la base du principe d’incertitude de Heisenberg, l’énergie cinétique d’un électron était estimée à un peu plus de dix GeV. Or, il a été prouvé empiriquement qu’il n’est égal qu’à quelques mégaélectronovolts. Cela signifie que la désintégration bêta ne consiste pas en la fuite d’une molécule mais en la transformation d’un nucléon en un autre. Lors de l’analyse de la désintégration d’un neutron, on peut observer la transition suivante : L’électron, noté , a un nombre de masse égal à 0 et un numéro atomique. Cela signifie qu’il s’agit d’une molécule pratiquement sans masse avec une charge négative. Le proton a les deux nombres égaux à un. La présence d’un neutrino (v) est requise compte tenu des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. De telles transformations se produisant dans le noyau provoquent des interactions nucléaires faibles. Un exemple d’isotope sujet à désintégration bêta est le , qui se désintègre par une émission β selon l’équation suivante ^: Un processus inverse, impliquant la production d’un positron, se produit par exemple dans un isotope de l’aluminium :

Désintégration gamma

Le terme "désintégration gamma" fait référence à une désintégration qui se produit lorsqu’un noyau excité passe à un état avec une énergie plus faible, ce qui se traduit par l’émission de photons . Une telle transition est similaire à la transition des électrons vers des niveaux d’énergie inférieurs et peut être notée avec des symboles, où * représente l’état excité : La masse et les nombres atomiques ne changent pas pendant la désintégration gamma. Le seul changement concerne le type de noyau.

Éléments radioactifs

Leurs atomes se désintègrent spontanément en émettant des particules ou des rayons. Cela s’accompagne souvent d’une émission de chaleur et de lumière. Dans la nature, on peut observer quatre groupes d’éléments radioactifs : les thorures, les neptunides, les uranides et les actinides, dont les noms dérivent des éléments parents. Les exemples comprennent:

1. Polonium – un produit de désintégrations atomiques, impliquant principalement de l’uranium-238. C’est une source de rayonnement alpha et il est utilisé comme source d’énergie dans les satellites.
2. Radon – produit à la suite de la désintégration du radium, dont l’isotope d’une masse atomique de 222 est utilisé dans le traitement des cas graves de cancer.

La série radioactive

On considère que tous les noyaux de numéro atomique supérieur à 82 sont instables et sujets à désintégration spontanée. La plupart d’entre eux se caractérisent également par un cycle de vie court, ils ne sont donc pas observés dans la nature. Cependant, il existe quelques exceptions importantes, telles que et , dont la période de demi-vie est de 1,39·10 ¹⁰ ans et 7,04·10 ⁸ ans, respectivement. La désintégration des noyaux lourds peut conduire à une longue série de désintégrations, car chaque noyau secondaire produit peut devenir le noyau primaire lors d’une désintégration ultérieure, jusqu’à ce qu’un noyau stable soit formé. Ce processus est appelé la série radioactive.