Rappels sur la structure de la matière et la radioactivité

 

 

Dans l'état actuel de nos connaissances, il existe dans la nature quatre types d'interaction répertoriés dans le tableau ci-après :

 

 

Interactions	Gravitationnelle	Electromagnétique	Nucléaire faible	Nucléaire forte
Particules	Graviton	Photon	Bosons W+, W-, Z0	Gluons
Masse	?	Zéro au repos	W+ =  81 MeV W- =  81 MeV Z0 =  95 MeV	Zéro au repos
Spin	?	1	1	1
Action sur	toutes les particules	particules chargées	leptons, nucléons	quarks, nucléons
Portée	infinie	infinie	<10-15 cm	<10-15 cm

 

Des expériences ont progressivement révélé la structure de la matière.

 

En 1911, Rutherford met en évidence l'existence d'un noyau atomique central et observe pour la première fois la transmutation d’un noyau stable.

 

Rutherford (1871-1937)

 

 

                       

 

En 1930, W. Bothe et H. Becker observent un rayonnement particulièrement pénétrant en bombardant du béryllium par des particules a. Cette expérience est reprise avec du Bore (Bore + alpha  ® Azote + particule pénétrante) en 1932 par F. et I. Joliot-Curie qui montrent que ce rayonnement est capable de communiquer une énergie supérieure à 1 MeV à des noyaux d'hydrogène de la paraffine. Mais c'est à J. Chadwick que l'on doit l'identification de ce rayonnement, le neutron, dont l'existence rend compte à la fois des masses des noyaux, de la neutralité globale des atomes (nombre de charge), des diffusions observées et des moments cinétiques mesurés (cas de l'Azote 14).

 

1. Les constituants du noyau atomique

 

Un noyau atomique ou nucléide est formé d'un nombre A de nucléons partagé en un nombre Z de protons de charge électrique positive et d'un nombre N de neutrons de charge électrique nulle. L'atome neutre comporte un cortège électronique de Z électrons "se déplaçant autour" du noyau à des distances de l'ordre de l'angström (10^{-10 m).}

 

A est appelé nombre de masse, Z est appelé numéro atomique. Un nucléide X (ou nuclide) est noté ^A_ZX.

 

Le nombre de nucléides stables recensés dans le tableau de Mendeleev est de 270 se répartissant de la manière suivante :

 

A	Z	N	Nombre de nucléides stables
Pair	Pair	Pair	161
Impair	Pair	Impair	55
Impair	Impair	Pair	50
Pair	Impair	Impair	4
			270

             Répartition des nucléides stables en fonction du nombre de neutrons N et du nombre de protons Z

 

 

Le tableau de Mendeleev

 

Le premier élément stable est l'Hydrogène H (Z=1, N=0, A=1). Le dernier élément stable est le Bismuth Bi (Z=83, N=126, A=209).

 

On distingue plusieurs types de nucléides :

 

·         Les isotopes: Z constant, N donc A variable; exemple : ¹³₇N, ¹⁴₇N

·         Les isotones: N constant, Z donc A variable; exemple : ¹⁴₇C, ¹⁵₇N, ¹⁶₈N

·         Les isobares: A constant; exemple : ¹⁴₇C, ¹⁴₇N

·         Les isomères: Z et N donc A constants; exemple : ⁸⁰₃₅Br*, ⁸⁰₃₅Br

 

Actuellement, environ 3000 isotopes, stables, isomères et radionucléides sont recensés avec leurs propriétés.

 

La distribution des noyaux dans la nature en fonction des nombres caractéristiques: N (nombre de neutrons) et Z (nombre de protons) est donnée par le schéma ci-dessous :

 

 

La vallée de stabilité

 

L'excès de neutrons favorise la stabilité des noyaux en diminuant l'effet de la répulsion coulombienne.

 

Historiquement, les masses des nucléides ont été déterminées de manière précise et systématique par Aston (1919). Par spectrométrie de masse, il mesura la masse de 250 atomes.

 

Masse atomique : C'est la masse d'un atome neutre. Dans la pratique, elle est exprimée en unités de masse atomique u définie comme le 1/12^ème de la masse de l'atome de Carbone 12.

 

Equivalence masse-énergie et unités : L'équivalence masse-énergie constitue l'un des principes de la physique reformulée par Einstein dans le cadre de la théorie de la relativité.

 

Une masse (m) exprimée en kg (système d'unités SI) peut être également exprimée en unité d'énergie (E) par multiplication par le carré de la vitesse de la lumière; c² : E = mc².

 

On a, en considérant par exemple l'unité de masse atomique :

 

                                                         1u        =       1.660571 10^{-24 g = 1.660571 10-27 kg}

                                                         1u        º       1.660571 10^-27 x (2.99792456 10⁸)²

unités :                                                     kg        x             (ms^-1)²           º joules

                                                                    

                                                        1u º 1.4924468 10^-10 joules

 

En physique nucléaire, on utilise une unité d'énergie dérivée, l'électron volt (eV) et ses multiples et/ou sous-multiples:   1eV = 1.60219 10^-19 joules, d'où 1u = 931,505 MeV.

                                                                    

Désignons par M(A,Z) la masse atomique d'un atome de numéro atomique Z et de masse atomique A. En unité de masse atomique (u), elle s'exprime par : M(A,Z) (en kg) / 1.660571 10^-27(en kg)

 

 

2. La radioactivité

 

La radioactivité a été mise en évidence par H. Becquerel en 1896, en observant que les sels d'uranium émettaient un rayonnement capable d'impressionner des plaques photographiques.

 

 

Marie Curie et sa fille Irène dans leur laboratoire

 

En 1898, Pierre et Marie Curie isolent pour la première fois des éléments radioactifs : le Polonium et le Radium. La théorie des transformations radioactives est due à E. Rutherford et F. Soddy (1902) auxquels on doit aussi l'identification des trois séries ou familles radioactives des radioéléments naturels :

 

- la famille du Thorium : le nombre de nucléons des noyaux appartenant à cette famille est un multiple de 4 : 4n.

- la famille de l'Uranium: le nombre de nucléons des noyaux appartenant à cette famille est en  4n + 2.

- la famille de l'Actinium : le nombre de nucléons des noyaux appartenant à cette famille est en  4n + 3.

La quatrième famille, celle du Neptunium a été produite artificiellement : le nombre de nucléons des noyaux appartenant à cette famille est en  4n + 1.

 

La radioactivité a mis en évidence le caractère instable de certains noyaux atomiques. Il existe plusieurs types de radioactivité correspondant à l'émission au cours du temps de différents types de particules: a, b, g, notamment comme l'illustre les figures ci-après :

 

                                                

 

 

Grandeurs associées à la décroissance radioactive. Loi de décroissance temporelle

 

Constante de désintégration l. L’activité.

 

Soit N(t) le nombre de noyaux radioactifs de même nature présents à un instant t. On appelle constante de désintégration totale, la probabilité par unité de temps qu’un atome se désintègre. On la désigne habituellement par la lettre l. Elle est caractéristique d’un isotope donné.

 

Le produit A(t) = l N(t) représente le nombre de désintégration par unité de temps au temps t. On appelle A(t) activité de l’isotope considéré.

 

L’unité d’activité est le Becquerel : 1 désintégration par seconde. Cependant l’ancienne unité le Curie reste parfois en usage : 1 Curie = 3,7 10¹⁰ désintégrations par seconde.

 

Un certain nombre de nucléides possèdent plusieurs modes de désintégration en "compétition". 

 

Equation d’évolution temporelle. Loi de décroissance.

 

On considère un intervalle de temps élémentaire dt et l’on écrit la variation dN du nombre d’isotopes N (t) durant cette durée :

dN = - l N(t) dt

 

On en déduit immédiatement par intégration :

N(t) = N₀e^-lt

 

où N₀ est le N₀ est le nombre de noyaux du type considéré présents à l’instant initial t₀ : N(t₀) = N₀ .

 

On a supposé qu’il n’y avait pas d’apport de noyaux nouveaux ni d’autres phénomènes (réactions nucléaires) que ceux de décroissance radioactive.

 

Période

La période T est la durée à l’issue de laquelle la probabilité de « survie » du nucléide est égale à  1/2 :

 

N(T) = N₀e^-lT = N₀/2

 

On en déduit :               T = ln2/l = 0.693//l

 

Les périodes couvrent une gamme de temps très vaste allant par exemple de 10^-22 s (cas du Fluor 15) à 4,5 milliards d’années (cas de l’Uranium 238).

 

 

3. La radioactivité dans la nature

 

Il existe une radioactivité naturelle . Par exemple, des minerais naturels (minéraux uranifères : la curite, la sklodowskite, la cupro-sklodowskite cf. Pour la Science, dossier hors-série, octobre 1996) recèlent de l’uranium et des descendants de ces différents isotopes.

 

 

 

 

Un exemple de radioactivité naturelle est le réacteur naturel d’OKLO au Gabon qui a fonctionné il y a deux milliards d’années.

 

Vue du site d’OKLO, Gabon : réacteur nucléaire naturel

 

Il existe également des processus de transmutation radioactive engendrés par le rayonnement cosmique. Le rayonnement cosmique regroupe en fait les particules suivantes qui proviennent de l’espace : des protons, des noyaux d’hélium, des ions lourds comme le fer. Ces particules interagissent avec les constituants de l’atmosphère terrestre en donnant naissance à d’autres particules comme des neutrons et des gamma. L’atmosphère nous protège de ces rayonnements.

 

 

 

On distingue ainsi :

 

- Les isotopes radioactifs existants depuis la formation de la Terre : ce sont les isotopes primitifs et leurs descendants. Par exemple, l’uranium 238 et ses descendants.

 

- Les isotopes cosmogéniques qui sont introduits dans la biosphère, comme le carbone 14, l’argon 39.

 | Revue ANKH | Civilisations africaines | Nubie/Egypte | Sciences exactes | Enseignements | Informations | Bibliographie | Télécharger |