Désintégration alpha : Émission d'une particule alpha (noyau d'hélium) par un noyau instable.
- Conservation du nombre de masse : 238 = 234 + 4
- Conservation du nombre de charge : 92 = 90 + 2
L'uranium-238 a pour symbole U, Z=92 et A=238
Une particule alpha est un noyau d'hélium : \({}^{4}_{2}\text{He}\)
Z_fils = Z_parent - 2 = 92 - 2 = 90 (Thorium)
A_fils = A_parent - 4 = 238 - 4 = 234
Nombre de masse : 238 = 234 + 4 ✓
Nombre de charge : 92 = 90 + 2 ✓
\({}^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}\)
Lors de la désintégration alpha de l'uranium-238, il se forme du thorium-234 et une particule alpha (noyau d'hélium)
• Rayonnement α : Perte de 2 protons et 2 neutrons
• Force : Très ionisant mais faible pénétration
• Énergie : Typiquement 4-8 MeV
Désintégration bêta : Transformation d'un neutron en proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino.
Le carbone-14 a pour symbole C, Z=6 et A=14
Un neutron se transforme en proton : n → p + e⁻ + ν̄ₑ
Z_fils = Z_parent + 1 = 6 + 1 = 7 (Azote)
A_fils = A_parent = 14 (inchangé)
Le nombre de masse reste constant, le numéro atomique augmente de 1
Nombre de masse : 14 = 14 ✓
Nombre de charge : 6 = 7 + (-1) ✓
Le carbone-14 se désintègre en azote-14 par émission bêta négative avec conservation du nombre de masse
• Rayonnement β- : Un neutron devient un proton
• Charge : Z augmente de 1, A constant
• Antineutrino : Respect de la conservation de l'énergie
Rayonnements ionisants : Trois types principaux avec propriétés différentes.
Composé de particules lourdes (noyau He), très ionisantes mais faiblement pénétrantes
Électrons rapides, moyennement pénétrants, peuvent traverser la peau
Ondes électromagnétiques très pénétrantes, nécessitent blindage lourd
α: Papier ou peau, β: Aluminium, γ: Plomb ou béton épais
α: Détecteurs de fumée, β: Radiographie, γ: Stérilisation
Les rayonnements α, β et γ ont des propriétés différentes de pénétration et d'ionisation, nécessitant des protections adaptées
• Relation masse-pénétration : Plus la masse est grande, moins la pénétration est forte
• Relation charge-ionisation : Plus la charge est élevée, plus l'ionisation est intense
• Protection : Adapter le blindage à la nature du rayonnement
Demi-vie (T₁/₂) : Durée nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs se désintègrent.
Le radium-226 a une demi-vie de 1600 ans
\(\lambda = \frac{\ln(2)}{T_{1/2}} = \frac{0.693}{1600} = 4.33 \times 10^{-4} \text{ an}^{-1}\)
Après 1600 ans, N = N₀/2
Après 3200 ans, N = N₀/4
Si on part de 100g de Ra-226, après 3200 ans il reste 25g
La demi-vie est caractéristique de chaque isotope, indépendante des conditions extérieures
La demi-vie du radium-226 est de 1600 ans, ce qui signifie qu'après cette durée, la moitié des noyaux se sont désintégrés
• Constante radioactive λ : Inversement proportionnelle à la demi-vie
• Indépendance : La demi-vie ne dépend pas de la température, pression ou chimie
• Statistique : Phénomène aléatoire mais prévisible à l'échelle macroscopique
Désintégration gamma : Émission de rayonnement électromagnétique par un noyau excité.
Excité
Fondamental
Le noyau fils d'une désintégration α ou β est souvent dans un état excité
Le noyau excité émet un photon gamma pour atteindre son état fondamental
A et Z restent inchangés, seule l'énergie est libérée
Typiquement 10 keV à 10 MeV selon le niveau d'énergie du noyau
Source de rayons gamma pour la radiothérapie et la stérilisation
La désintégration gamma permet à un noyau excité de retrouver son état fondamental en émettant un photon γ
• Absence de changement : A et Z restent constants
• Énergie : Libération de l'énergie excédentaire
• Applications : Médicales, industrielles, de sécurité
Datation radiocarbonique : Méthode de datation basée sur la désintégration du carbone-14.
Le carbone-14 est produit dans l'atmosphère par interaction des rayons cosmiques avec l'azote
Pendant la vie, le rapport C-14/C-12 est constant dans les organismes vivants
À la mort de l'organisme, l'échange avec l'atmosphère cesse
Le C-14 se désintègre avec une demi-vie de 5730 ans
On mesure le rapport actuel C-14/C-12 et on compare avec le ratio initial
La datation au carbone-14 permet d'estimer l'âge des matières organiques jusqu'à environ 50 000 ans
• Limite de temps : Jusqu'à 50 000 ans environ
• Supposition : Le taux de production du C-14 est constant
• Correction : Calibration nécessaire pour variations historiques
Radioactivité naturelle : Le potassium-40 présente un cas particulier de désintégration multiple.
Le potassium-40 est un isotope naturel présent à 0.012% du potassium total
9.3% du temps, il se désintègre en calcium-40 par émission β-
10.7% du temps, il se désintègre en argon-40 par capture électronique ou émission β+
La demi-vie du potassium-40 est de 1.25 milliards d'années
Utilisé pour la datation des roches anciennes et la géochronologie
Le potassium-40 se désintègre par deux voies différentes en calcium-40 ou argon-40 avec une très longue demi-vie
• Double mode : Désintégration β- et β+ pour un même isotope
• Longue durée : Adapté pour la datation des objets très anciens
• Naturel : Présent dans les roches et minéraux
Série radioactive : Suite de désintégrations successives aboutissant à un noyau stable.
La série commence avec l'uranium-238 qui subit une succession de désintégrations
14 désintégrations successives (α et β) aboutissent au plomb-206 stable
Dans les minerais anciens, les descendants sont en équilibre radioactif
Chaque membre de la chaîne a sa propre demi-vie
Utilisée pour la datation des roches et la géochronologie
La série de l'uranium comprend 14 étapes aboutissant au plomb-206 stable, avec des demi-vies variant de quelques secondes à des millions d'années
• Loi de Soddy : Les émissions α et β modifient Z et A de manière prévisible
• Équilibre : Dans les minerais anciens, les activités des descendants sont égales
• Stabilité finale : Toutes les séries aboutissent à des isotopes stables du plomb
Énergie libérée : La désintégration radioactive libère de l'énergie sous forme de chaleur.
La différence de masse entre les noyaux parents et fils se traduit par une énergie libérée
Énergie cinétique des particules émises, énergie des rayonnements γ
L'énergie cinétique des particules est convertie en énergie thermique par collision
La radioactivité naturelle contribue à la chaleur interne de la Terre
Utilisée dans les générateurs thermoélectriques des sondes spatiales
La radioactivité naturelle libère de l'énergie qui se convertit en chaleur, contribuant à la température interne de la Terre
• Conservation : La masse disparaît mais l'énergie est conservée
• Quantité : Relativement faible mais continue sur des millions d'années
• Importance : Contribution significative à la géothermie terrestre
Fonds naturel : Présence de radioactivité dans les roches et le sol.
Uranium, thorium, potassium-40 sont les principaux responsables de la radioactivité naturelle
Varie selon les types de roches (granites, sédiments, etc.)
Environ 0.1 à 10 µSv/h selon les régions