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STAGE - RÉACTIONS NUCLÉAIRES ET RADIOACTIVITÉ

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La radioactivité

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La radioactivité

 

La radioactivité est l’ensemble des transformations spontanées des noyaux d’atomes instables. On parle de transformations spontanées car elles ne nécessitent pas d’apport d’énergie de l’extérieur. Ce ne sera pas le cas pour des réactions de fusion et de fission. Ces noyaux d’atomes instables se transforment en noyaux d’atomes un peu plus stables, le tout en émettant des rayonnements, d’où le nom de radioactivité. Pour expliquer l’instabilité des noyaux d’atomes, on utilise le diagramme de Ségré.

 

Sur le diagramme de Ségré, on représente tous les noyaux d’atomes connus à ce jour en fonction de leur nombre de neutrons, en ordonnées, et du nombre de protons, en abscisses. On observe que les noyaux d’atomes stables sont approximativement situés sur la droite $N=Z$. Cela signifie que globalement, lorsqu’un noyau d’atome a autant de neutrons que de protons, il risque d’être stable. Lorsqu’un noyau d’atome s’éloigne de cette droite $N=Z, $ on a de l’instabilité et de la radioactivité. Les trois causes d’instabilité des noyaux d’atome sont :

- L’excès de protons par rapport aux neutrons.

- L’excès de neutrons par rapport aux protons.

- L’excès de neutrons et de protons, pour les noyaux d’atomes lourds.

 

Excès de protons par rapport aux neutrons

 

Le noyau d’atome représenté par $^A_ZX$ (noyau père) se transforme en un autre noyau d’atome (noyau fils) qui aura un symbole différent. En effet, on constate qu’on est passé de $Z$ à $Z-1$ pour les protons du noyau donc ce n’est plus le même élément qui est concerné. Il y a un proton qui va se transformer en un neutron et cela provoque l’émission d’une particule appelée positon. On peut vérifier qu’il y a bien la conservation du nombre de nucléons puisqu’on a $A = A+0$ et $Z = Z-1+1.$ On parle de rayonnement $β^+$ car un positon est émis.

 

Excès de neutrons par rapport aux protons

 

Le noyau père est instable. Le neutron se transforme en proton dans le noyau de l’atome. Cela va donner un noyau fils qui a un autre symbole puisque le numéro $Z$ va se changer en $Z+1.$ Lorsqu’il y a cette transformation, cela émet un électron. Attention, cet électron ne fait pas partie du nuage électronique mais  il va être, en quelque sorte, éjecté du noyau. C’est la radioactivité $β^-$ car l’électron est chargé négativement.

 

Excès de neutrons et de protons, pour les noyaux d’atomes lourds

 

Le noyau père se transforme en noyau fils en éjectant deux protons et deux neutrons. Deux protons et deux neutrons correspondent au noyau d’hélium. On parle ici de radioactivité $\alpha.$ Le noyau d’hélium est aussi appelé particule $\alpha.$

Ces trois transformations nucléaires, qu’on appelle aussi désintégrations radioactives, s’accompagnent de l’émission de rayonnement $γ.$ C’est un rayonnement électromagnétique de haute énergie qui provient du fait que ces noyaux fils sont dans un état excité, ont un surplus d’énergie. Cela va provoquer l’émission de ces rayonnements.

 

Radioactivité naturelle et artificielle

 

La radioactivité est avant tout un phénomène naturel, puisqu’on a des éléments radioactifs dans la nature. Un exemple d’application de cette radioactivité naturelle est la datation, par exemple, des momies au carbone 14. Le carbone 14 est un élément radioactif.

La radioactivité peut être aussi artificielle, ce sont les isotopes radioactifs qui sont fabriqués par l’Homme. On peut avoir différentes applications, par exemple dans le domaine médical avec ce qu’on appelle l’imagerie TEP (Tomographie par Emission de Positons). C’est la particule de la radioactivité $β^+.$ On injecte des isotopes radioactifs.