Réactions nucléaires spontanées : la radioactivité
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir la radioactivité et citer ses caractéristiques ;
• reconnaître les rayonnements α, β-, β+ et γ et leurs propriétés ;
• énoncer les lois de conservation du nombre de masse et du nombre de charge ;
• écrire l'équation d'une désintégration et identifier le noyau fils ;
• expliquer l'origine de l'électron β-, du positon β+ et du rayonnement γ ;
• distinguer irradiation et contamination, et connaître les règles de radioprotection.
Prérequis : composition et symbole d'un noyau, isotopes, énergie de liaison par nucléon, photon.
Situation de départ
Dans beaucoup de maisons, un petit détecteur de fumée contient une source radioactive d'américium 241, plus petite qu'une tête d'épingle. Dans les hôpitaux, on injecte à des patients du fluor 18 radioactif pour repérer des tumeurs. Et la roche granitique de certaines régions libère un gaz radioactif naturel, le radon.
Qu'est-ce qui rend un noyau radioactif, et que sont les rayonnements qu'il émet ?
I. Le phénomène de radioactivité
1. Un peu d'histoire
En 1896, Henri Becquerel découvre que des sels d'uranium, rangés dans un tiroir obscur, impressionnent des plaques photographiques : ils émettent spontanément un rayonnement invisible et pénétrant.
En 1898, Marie et Pierre Curie découvrent dans un minerai d'uranium (la pechblende) deux éléments beaucoup plus actifs, le polonium et le radium ; Marie Curie nomme le phénomène radioactivité.
En 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie obtiennent les premiers noyaux radioactifs artificiels en bombardant de l'aluminium avec des particules α : c'est la radioactivité artificielle.
2. Définition et caractères
La radioactivité est la transformation spontanée d'un noyau instable, dit noyau père, en un noyau d'un autre élément, dit noyau fils, avec émission d'un rayonnement.
Caractères de la radioactivité
- elle est spontanée : aucune intervention extérieure n'est nécessaire ;
- elle est aléatoire : on ne peut pas prévoir l'instant où un noyau donné va se désintégrer ;
- elle est inévitable : un noyau radioactif finit toujours par se désintégrer ;
- elle ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni de la combinaison chimique dans laquelle se trouve le noyau : c'est une propriété du noyau, et non de l'atome ou de la molécule.
II. Les rayonnements radioactifs
1. Mise en évidence
Un sel de radium est placé au fond d'un canal creusé dans un bloc de plomb, qui ne laisse sortir qu'un fin faisceau. Entre deux armatures chargées (ou dans un champ magnétique), le faisceau se sépare en trois : une partie est déviée vers l'armature négative, une autre, plus fortement, vers l'armature positive, et une troisième n'est pas déviée.
Les rayonnements radioactifs
| Nature | Symbole | Arrêté par | |
|---|---|---|---|
| α | noyaux d'hélium (charge +2e) | 42He | une feuille de papier, quelques cm d'air |
| β- | électrons (charge -e) | 0-1e | quelques mm d'aluminium |
| β+ | positons (charge +e) | 01e | quelques mm d'aluminium |
| γ | photons de très grande énergie | γ | atténué par plusieurs cm de plomb ou de béton |
2. Propriétés
• Pouvoir ionisant : en traversant la matière, les rayonnements arrachent des électrons aux atomes. Les particules α sont très ionisantes mais peu pénétrantes ; le rayonnement γ est peu ionisant mais très pénétrant.
• Détection : ils impressionnent les plaques photographiques, font scintiller un écran fluorescent, et ionisent les gaz : c'est le principe du compteur Geiger-Müller, qui produit une impulsion électrique, un « clic », pour chaque particule détectée.
Le positon 01e a la même masse que l'électron et une charge opposée, +e : c'est l'antiparticule de l'électron. Lorsqu'il rencontre un électron, les deux particules disparaissent en donnant deux photons γ.
III. Les lois de conservation
Une désintégration s'écrit comme une équation, par exemple pour le radium 226 :
Au cours d'une réaction nucléaire, il y a conservation :
• du nombre de masse : la somme des A est la même avant et après (226 = 222 + 4) ;
• du nombre de charge : la somme des Z est la même avant et après (88 = 86 + 2).
Il y a aussi conservation de l'énergie totale (et de la quantité de mouvement).
On conserve les nombres de nucléons et de charges, mais pas la masse : la masse des produits est un peu plus petite que celle du noyau père. Cette perte de masse est transformée en énergie.
IV. Les types de désintégration
1. La radioactivité α
Elle concerne surtout les noyaux lourds (A > 200), qui ont trop de nucléons. Le noyau père expulse une particule α ; les lois de conservation donnent :
Le polonium 210, découvert par Marie Curie, est émetteur α : 21084Po 20682Pb + 42He. Le noyau fils (Z = 82) est le plomb.
2. La radioactivité β-
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