Radioactivité

Radioactivité : Introduction.

Les noyaux radioactifs et leurs propriétés de désintégration sont abondamment utilisés en biologie, biochimie, géologie et médecine

Ils servent de marqueur biologique ou encore pour la datation

On peut les utiliser pour déceler des tumeurs cancéreuses mais aussi pour les soigner

Le but de ce cours est de définir les noyaux radioactifs, les différents types de désintégration, de vous familiariser avec les concepts d’activité, de période, de dose et de montrer des applications utilisées en SVT

Le cours est séparé en trois chapitres :

• Noyau atomique – Masse énergie – Réaction nucléaires – Désintégrations radioactives
• Activité – Traceurs – Datation
• Interaction rayonnement matière – Doses absorbées

Noyau atomique – Masses et Energies Réactions nucléaires

Désintégration radioactive.

1. Noyau atomique.

1. Définitions et vocabulaire.

L’ATOME

Atome neutre = Z protons, N neutrons et Z électrons

L’interaction des électrons avec l’environnement détermine les propriétés chimiques des atomes

Symbole : [pic 1]

A = nombre de masse de l’atome

Z = nombre de charge

Mais pour étudier la radioactivité, on raisonne sur le noyau de l’atome pas sur l’atome : c’est associé à la physique nucléaire

LE NOYAU :

Symbole :  [pic 2]

A = nombre de nucléons

Z = nombre de protons

N = nombre de neutrons

Avec A = Z + N

Protons et neutrons appartiennent à la même famille des nucléons

Isotopes : on appelle isotopes deux noyaux ayant même Z mais des valeurs de A différentes donc N différents :

Ex : et [pic 3][pic 4]

Isobares : on appelle isobares deux noyaux différentes mais ayant même nombre de masse :

Ex :  et [pic 5][pic 6]

Noyaux stables :

Un noyau est un système lié de nucléons il faut lui fournir de l’énergie pour le réduire en ses constituants

Le noyau dans son état lié a une masse inferieure à la somme des constituants

Un noyau stable est un noyau qui ne se désintègre pas spontanément sa durée de vie est infinie o comparable à l’âge de l’univers

Moins de 300 noyaux stables existent dans la nature

Noyaux radioactifs ou instables :

Définition :

Un noyau radioactif est un noyau qui se transforme spontanément en un autre noyau : sa durée de vie est don finie

Il a une « période radioactive »

Le noyau radioactif tend à se transformer spontanément en un noyau stable en émettant un rayonnement composé :

Des particules de matières : électrons, positions, proton, neutron, alpha + parfois des particules de lumière

Un noyau instable peut exister naturellement (parle de radioactivité naturelle) ou être produit par réaction nucléaire (radioactivité artificielle)

Environ 300 noyaux connus à ce jour moins de 300 stables tous les autres sont donc radioactifs [pic 7]

Alpha = noyaux d’hélium

Gamma = photons

Désexcitation gamma du noyau :

On dit que le noyau est excité lorsqu’il a acquis un surplus d’énergie

C’est vrai pour des noyaux stables ou radioactifs

Un noyau dans un état excité prend le symbole étoile en exposant

Exemple de notation :  

 [pic 8]

Le noyau excité peut alors vibrer ou tourner sur lui-même

Ou encore les nucléons se placent sur un niveau d’énergie plus élevé comme le font les électrons dans l’atome

Le noyau dans un état excité veut retourner vers son état fondamental [pic 9]

Le moyen le plus utilisé par le noyau est la désexcitation gamma, qui permet le passage d’un niveau d’énergie initiale Ei vers un niveau d’énergie final Ej, avec Ei  Ej par émission d’un proton  qui emporte l’énergie [pic 10][pic 11]

 [pic 12]

h est la constante de Planck avec h = 6,63  J.s et  est la fréquence du rayonnement gamma [pic 13][pic 14]

Rayonnement ou matière ?

Pour les particules, on parle indifféremment de rayonnement ou de matière

Le photon  est donc à la fois une onde et une particule [pic 15]

Sa masse est nulle  = 0[pic 16]

Sa vitesse est celle de la lumière dans le vide [pic 17]

Sa longueur d’onde vaut [pic 18]

Quand on passe d’un état excité à l’état fondamental du noyau, on écrit la réaction de désexcitation : [pic 19]

 [pic 20]

1. Unités utilisées pour la radioactivité.

Unité d’énergie :

Joule : pas adapté pour les énergies des noyaux et des particules car valeurs trop faibles

On utilise électron volt et ses multiples

Définition :

Un électron volt est l’énergie d’une charge élémentaire

e = 1,6  C soumise à une ddp de 1V [pic 21]

1 eV = 1,6  J[pic 22]

On utilise les multiples suivants :

1 keV =  eV =1,6 [pic 23][pic 24]

1 MeV =  eV =1,6  pour les noyaux [pic 25][pic 26]

1 GeV =  eV =1,6 [pic 27][pic 28]

1 TeV =  eV =1,6  pour les particules de gros accélérateurs [pic 29][pic 30]

Unité de masse atomique :

C’est l’unité utilisée pour les masses en radioactivité

Définition :

1 unité de masse atomique est égale à 1/12ème de la masse de l’atome de carbone 12

1 uma = [pic 31]

1 uma = 1,66 [pic 32]

Exemple :

Proton:  uma [pic 33]

Neutron:  uma [pic 34]

Electron   uma [pic 35]

1. Masse et énergie.

Masse d’un noyau :

Masse du noyau = masse de son état fondamental

On donne la masse en uma

Exemple : m () = 234, 99345 uma [pic 36]

Energie de masse au repos : définition

Principe d’équivalence masse énergie énoncé par Einstein en 1905 :

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