Désintégration alpha : Émission d'une particule alpha (noyau d'hélium) par un noyau instable.
- Conservation du nombre de masse : 226 = 222 + 4
- Conservation du nombre de charge : 88 = 86 + 2
Le radium-226 a pour symbole Ra, Z=88 et A=226
Une particule alpha est un noyau d'hélium : \({}^{4}_{2}\text{He}\)
Z_fils = Z_parent - 2 = 88 - 2 = 86 (Radon)
A_fils = A_parent - 4 = 226 - 4 = 222
Nombre de masse : 226 = 222 + 4 ✓
Nombre de charge : 88 = 86 + 2 ✓
\({}^{226}_{88}\text{Ra} \rightarrow {}^{222}_{86}\text{Rn} + {}^{4}_{2}\text{He}\)
Lors de la désintégration alpha du radium-226, il se forme du radon-222 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 moins : 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
Désintégration bêta plus : Transformation d'un proton en neutron avec émission d'un positron et d'un neutrino.
Le fluor-18 a pour symbole F, Z=9 et A=18
Un proton se transforme en neutron : p → n + e⁺ + νₑ
Z_fils = Z_parent - 1 = 9 - 1 = 8 (Oxygène)
A_fils = A_parent = 18 (inchangé)
Le nombre de masse reste constant, le numéro atomique diminue de 1
Nombre de masse : 18 = 18 ✓
Nombre de charge : 9 = 8 + (+1) ✓
Le fluor-18 se désintègre en oxygène-18 par émission bêta positive avec conservation du nombre de masse
• Rayonnement β+ : Un proton devient un neutron
• Charge : Z diminue de 1, A constant
• Positron : Particule antimatière de l'électron
Rayonnement 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
Le rayonnement 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
Équation bilan : Représentation symbolique de la transformation nucléaire.
- Conservation du nombre de masse : A = A'
- Conservation du nombre de charge : Z = Z'
- Conservation de l'énergie : Énergie libérée (Q-value)
X = noyau parent, Y = noyau fils, A = nombre de masse, Z = numéro atomique
La somme des nombres de masse est conservée, la somme des charges est conservée
Pour une désintégration α : A_fils = A_parent - 4, Z_fils = Z_parent - 2
Pour une désintégration β- : A_fils = A_parent, Z_fils = Z_parent + 1
Toujours vérifier que les lois de conservation sont respectées dans l'équation
Les équations de désintégration doivent respecter les lois de conservation du nombre de masse et du nombre de charge
• Conservation masse : ΣA_initial = ΣA_final
• Conservation charge : ΣZ_initial = ΣZ_final
• Vérification : Toujours compter les particules de chaque côté
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
89.3% 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
Capture électronique : Un électron orbital est capturé par le noyau.
Le béryllium-7 a pour symbole Be, Z=4 et A=7
Un électron orbital est capturé par le noyau, transformant un proton en neutron
Z_fils = Z_parent - 1 = 4 - 1 = 3 (Lithium)
A_fils = A_parent = 7 (inchangé)
Nombre de masse : 7 = 7 ✓
Nombre de charge : 4 + (-1) = 3 ✓
\({}^{7}_{4}\text{Be} + e^- \rightarrow {}^{7}_{3}\text{Li} + \nu_e\)
Le béryllium-7 subit une capture électronique pour devenir du lithium-7 avec émission d'un neutrino
• Mécanisme : Électron du cortège capturé par le noyau
• Effet : Un proton devient un neutron
• Similitude : Similaire à la désintégration β+ en termes de résultats
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
Décroissance exponentielle : La quantité de noyaux radioactifs diminue exponentiellement.
N(t) = nombre de noyaux à l'instant t, N₀ = nombre initial de noyaux
λ est la constante de désintégration, spécifique à chaque isotope
Temps nécessaire pour que la moitié des noyaux se désintègrent
Si on part de 100g de Ra-226 (T₁/₂ = 1600 ans), après 1600 ans il reste 50g
La demi-vie est caractéristique de chaque isotope, indépendante des conditions extérieures
La loi de décroissance radioactive suit une fonction exponentielle avec une constante de temps spécifique
• 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
Applications médicales : Utilisation des rayonnements pour le diagnostic et le traitement.
Le technétium-99m émet des rayonnements γ détectables par caméra gamma
Utilisation de sources radioactives pour traiter les cancers (cobalt-60, iridium-192)
Utilisation de sources β+ comme le fluor-18 pour la TEP
Isotopes à demi-vie adaptée pour minimiser l'exposition
Respect des doses administrées et des délais de sécurité
Les rayonnements produits par les désintégrations sont utilisés pour le diagnostic et le traitement médical
• Diagnostic : Rayonnements γ pour imagerie, faible dose
• Traitement : Rayonnements pour détruire les cellules cancéreuses
• Sécurité : Minimiser l'exposition des patients et personnel
