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| La radioactivité |
Introduction :
En 1896, Henri Becquerel constata que des plaques
photographiques qu’il avait rangées à l’abri de la lumière avaient été
impressionnées par un rayonnement mystérieux émanant de sels d’uranium
entreposés à proximité. Pierre et Marie Curie s’intéressèrent au phénomène et
baptisèrent «radioactivité » la
propriété de certains noyaux d’émettre spontanément des particules chargées ou
non.
1- Pourquoi certains noyaux sont-ils radioactifs ?
1-1-Le noyau atomique :
Sa taille est de l’ordre du femto mètre (1 fm= 10-15m)
et il est composé de protons, de charge positive égale à la charge élémentaire,
et de neutrons dont la masse est voisine de celle du proton. Attention : les
électrons, en mouvement désordonné autour du noyau, ne font pas partie de
celui-ci ! le nombre de protons,
seules particules chargées présentes dans le noyau, est le nombre de charge Z.
c’est lui qui détermine le nom du noyau, c'est-à-dire de l’élément chimique. Tous
les noyaux à 92 protons sont des noyaux d’uranium, tous les noyaux à 6 protons
sont des noyaux de carbone, tous les noyaux à 1 protons sont des noyaux d’hydrogène…
Le nombre de protons et de neutrons (nombre de nucléons)
contenus dans le noyau est le nombre de
masse A.
1-2-Isotopes d’un même élément chimique :
Un noyau correspondant à l’élément chimique X est symbolisé
par l’écriture AZX
et comme nous l’avons vu précédemment, tous les noyaux qui ont le même nombre
de protons portent le même nom. Des noyaux qui ont le même nombre de protons
mais des nombres de neutrons différents sont appelés isotopes. Le carbone 126C et le carbone 146C
par exemple, sont des isotopes de l’élément carbone.
1-3-Les noyaux stables et les noyaux radioactifs :
La stabilité d’un noyau résulte d’un équilibre optimal entre protons et neutrons, liés par l’interaction forte (si celle-ci n’existait pas, se repousseraient du fait de l’interaction électrique). La courbe représentative du nombre du nombre de neutrons N= A-Z en fonction du nombre de protons Z fait apparaître une zone appelée « vallée de stabilité » où se regroupent les noyaux stable. (fig.1)
Qu’en est-il des autres noyaux ?
·
Les noyaux qui ont trop de neutrons par rapport
aux protons vont avoir tendance à transformer un neutron en proton en éjectant
un électron et en produisant un noyau fil Y : c’est le noyau radioactifs β-
dont la désintégration obéit au schéma :
zAX à
Z+1AY + -10e
·
A l’inverse, les noyaux qui ont trop de protons
par rapport aux neutrons transforme un proton en neutron, en éjectant un
électron positif, la position. Ces noyaux sont radioactifs β+
zAX à
Z-1AY + +10e
·
Les noyaux très lourds, possédant à la fois un
excès de neutrons et de protons éjectent des noyaux d’hélium (ou particule α)
constitué des deux neutrons et de deux protons. Ce sont les noyaux radioactifs α.
zAX à
Z-2A-4Y + 24He
·
Dans les cas où le noyau fils est émis dans un
état d’énergie supérieure à la normale (état excité), la redescente vers le
niveau fondamental s’accompagne de l’émission d’un photon ϒ,
dont l’énergie est de l’ordre du mégaélectronvolt (1 Mev = 106 eV)
et la longueur d’onde dans le vide de l’ordre du pico mètre (1 pm= 10-12m).
la radioactivité ϒ n’existe pas en tant que telle : elle accompagne les
radioactivités α,β- ou β+.
Toutes les désintégrations radioactives
respectent les lois de conservation de
la charge et du nombre de nucléons. La masse en revanche varie, sa diminution
étant à l’origine de l’énergie dégagée.=
Les effets des rayonnements radioactifs sur l’organisme
seront fonction de la nature des particules reçues et de leur énergie.
2- Peut-on prévoir l’évolution d’un échantillon radioactif ?
On a coutume de dire qu’un noyau radioactif « ne vieillit
pas » car il reste identique à lui-même jusqu’au moment de sa
désintégration, laquelle est imprévisible. A l’échelle microscopique, la radioactivité est un phénomène aléatoire,
mais si l’on effectue des statistiques sur un grand nombre de noyaux, on
constate qu’il est possible de prévoir l’évolution moyenne de cette population
de noyaux, c'est-à-dire de connaître le pourcentage des noyaux qui se seront
désintégrés au bout d’une durée t, sans toutefois savoir lesquels.
2-1-Loi de décroissance radioactive :
Si le nombre de noyaux d’un type donné est N0 à
la date t=0, le nombre de noyaux N restant à la date t obéit à la loi
exponentielle (fig.2) :
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| loi de décroissance radioactive |
N=N0 e-λt
= N0e-t/τ
La constante radioactive λ
est l’inverse du temps caractéristique τ.
Elle est reliée à la demi-vie t1/2,
durée au bout de laquelle la moitié des noyaux se sont désintégrée, par l’égalité :
λ=ln2/t1/2
la demi-vie, qui est une caractéristique des noyaux d’un type
donnée, peut prendre des valeurs aussi différentes que 4,5 milliards d’années
dans le cas de l’uranium 238, 5730 ans dans le cas du carbone 14 et quelques microsecondes
dans me cas de certains isotopes des éléments de la fin du tableau périodique
découverts récemment (Z > 110).
La stabilité d’un noyau résulte d’un
équilibre optimal entre protons et neutrons, liés par l’interaction forte (si
celle-ci n’existait pas, se repousseraient du fait de l’interaction
électrique). La courbe représentative du nombre du nombre de neutrons N= A-Z en
fonction du nombre de protons Z fait apparaître une zone appelée « vallée
de stabilité » où se regroupent les noyaux stable. (fig.1)
Au bout d’une durée t égale à une demi-vie, le nombre de
noyaux radioactifs est divisé par 2. Au bout de deux demi-vies il est divisé
par 2²=4, au bout de trois demi-vies par 23=8, au bout de n demi-vie
par 2n, d’où la relation :
N= N0/2n
Attention : la loi de décroissance radioactive bannit
tout raisonnement de proportionnalité. Au bout d’une demi-vie, la moitié des
noyaux ont disparu, mais au bout de deux demi-vies, il n’y a pas eu
désintégration de la totalité des noyaux ! « Deux demi-vies ne font
pas une vie entière ! »
2-2-Activité d’un échantillon :
Egale au nombre de désintégrations par unité de temps, l’activité
d’un échantillon A vérifie la relation :
A=-dN/dt=λN
Et s’exprime en becquerel (Bq) dans le système
international. Elle dépend de la nature des noyaux radioactifs, par l’intermédiaire
de la constante λ, mais aussi du nombre de noyaux contenus dans l’échantillon
et donc de sa masse.
Proportionnelle au nombre de noyaux N, elle respect, elle
aussi, la loi de décroissance radioactive :
A=A0e-λt
= A0e-t/τ= A0/(2t/τt/2)
Quels sont les ordres de grandeur de l’activité ? La
radioactivité du corps humain, due au potassium 40 et au carbone 14, est l’environs
10 000 Bq. Celle de l’air ambiant, due au radon dégagé par les roches, est
l’ordre de quelques centaines de becquerels. Quant à l’activité d’un gramme de
radium, il atteint plusieurs dizaines de millions de becquerels !
3- La radioactivité, comment l’exploiter ?
3-1-une remontée dans le temps : la datation radioactive :
·
la plus célèbre et la plus controversée des
méthodes de datation est la datation par le carbone 14. Celle-ci repose sur l’hypothèse
que le rapport des quantités de matière de carbone 14 (radioactif) et de
carbone 12 (non radioactif) présents dans l’atmosphère n’a pas évolué au cours
du temps. Ce rapport est le même pour tout organisme vivant (bois, fibre
végétale…) en communication avec l’atmosphère. A la mort de cet organisme, date
origine à laquelle cessent les échanges avec l’atmosphère, le carbone 14 se
désintègre sans être renouvelé et l’activité de l’échantillon diminue
conformément à la loi de décroissance radioactive. La mesure de l’activité
résiduelle donne accès à l’âge de l’échantillon. il a souvent été reproché à
cette méthode d’être imprécise. Du fait de fluctuation du taux de carbone 14
dans l’atmosphère, « le carbone 14 rajeunit les objets ». des études
récentes ont permis d’apporter les corrections nécessaires et les scientifiques sont maintenant à même
de dater avec certitude des objets vieux de 40.000 ans, soit environ 7
demi-vies du carbone 14 (au-delà, la teneur en carbone 14 est trop faible pour être
exploitée).
·
D’autres méthodes de datation existent,
notamment en sciences de la terre, qui exigent l’emploi de radioéléments de
demi-vies bien supérieures à celle du carbone 14, à l’échelle des ères
géologiques. C’est ainsi que l’on a daté des cailloux lunaires par la méthode
potassium-argon et que l’on a déterminé l’âge du système solaire (4,566
milliards d’années à 2 millions d’années près) par la méthode uranium-plomb.
3-2-Marquage isotopique en biologie et en médecine nucléaire :
Les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques
identiques. C’est pourquoi le remplacement d’un isotope non radioactif par un
isotope radioactif dans une molécule ne modifie pas le comportement de
celle-ci. Le rayonnement émis permet de la détecter, de suivre son mouvement et
même de la doser à distance.
Cette technique permet entre autres l’étude du mode d’action
des médicaments, du métabolisme des cellules, de la transmission des messages
chimiques (hormones, neuromédiateurs) et la détection des anomalies cardiaques
ou le dépistage des métastases cancéreuses.