Les nucléides sont caractérisés par leur numéro atomique (nombre de protons) et leur nombre de masse atomique (nombre total de protons et de neutrons). Le nombre de protons dicte de quel élément il s'agit, et le nombre total de protons et de neutrons détermine l'isotope.
Les radio-isotopes (isotopes radioactifs) sont des atomes qui ont un noyau instable et sont sujets à la désintégration nucléaire. Ils sont dans un état de haute énergie et veulent passer à un état de basse énergie en libérant cette énergie, soit sous forme de lumière ou d'autres particules. La demi-vie d'un radio-isotope, ou le temps qu'il faut à la moitié des atomes d'un radio-isotope pour se désintégrer, est une mesure très utile à connaître.
Les éléments radioactifs ont tendance à être sur la dernière ligne du tableau périodique et la dernière ligne des éléments des terres rares.
Désintégration radioactive
Les isotopes radioactifs ont des noyaux instables, où l'énergie de liaison maintenant les protons et les neutrons étroitement liés n'est pas assez forte pour tenir en permanence. Imaginez une balle assise au sommet d'une colline; un léger contact l'enverra rouler vers le bas, comme dans un état d'énergie inférieure. Les noyaux instables peuvent devenir plus stables en libérant une partie de leur énergie, soit sous forme de lumière ou d'autres particules telles que des protons, des neutrons et des électrons. Cette libération d'énergie est appelée désintégration radioactive.
Le processus de désintégration peut prendre plusieurs formes, mais les principaux types de désintégration radioactive sont :alphadésintégration (émission d'une particule alpha/noyau d'hélium),bêtadésintégration (émission d'une particule bêta ou capture d'électrons) etgammadésintégration (émission de rayons gamma ou de rayonnement gamma). Les désintégrations alpha et bêta transmutent le radio-isotope en un autre nucléide, souvent appelé nucléide fils. Les trois processus de désintégration créent des rayonnements ionisants, un type de rayonnement à haute énergie qui peut endommager les tissus vivants.
Dans la désintégration alpha, également appelée émission alpha, le radio-isotope émet deux protons et deux neutrons sous la forme d'un noyau d'hélium-4 (également connu sous le nom de particule alpha). Cela fait baisser le nombre de masse du radio-isotope de quatre et son numéro atomique de deux.
La désintégration bêta, également appelée émission bêta, est l'émission d'un électron à partir d'un radio-isotope lorsque l'un de ses neutrons se transforme en proton. Cela ne modifie pas le nombre de masse du nucléide, mais augmente son numéro atomique de un. Il existe aussi une sorte de désintégration bêta qui est presque l'inverse de la première: le nucléide émet un positron (le partenaire antimatière chargé positivement d'un électron), et l'un de ses protons se transforme en neutron. Cela abaisse le numéro atomique du nucléide de un. Le positon et l'électron seraient tous deux considérés comme des particules bêta.
Un type particulier de désintégration bêta est appelé désintégration bêta par capture d'électrons: l'un des électrons les plus internes du nucléide est capturé par un proton dans le noyau, transformant le proton en neutron et émettant une particule ultra-minuscule et ultra-rapide appelée électron neutrinos.
La radioactivité est généralement mesurée dans l'une des deux unités suivantes: le becquerel (bq) et le curie. Les becquerels sont les unités standard (SI) de radioactivité et représentent un taux d'une désintégration par seconde. Les curies sont basées sur le nombre de désintégrations par seconde d'un gramme de radium-226 et portent le nom de la célèbre scientifique en radioactivité Marie Curie. Sa découverte de la radioactivité du radium a conduit à la première utilisation des rayons X médicaux.
Qu'est-ce que la demi-vie?
La demi-vie d'un isotope radioactif est le temps moyen qu'il faut à environ la moitié des atomes d'un échantillon de radio-isotope pour se désintégrer. Différents radio-isotopes se désintègrent à des rythmes différents et peuvent avoir des demi-vies très différentes; ces demi-vies peuvent être aussi courtes que quelques microsecondes, comme dans le cas du polonium-214, et aussi longues que quelques milliards d'années, comme l'uranium-238.
Le concept important est qu'un radio-isotope donnétoujoursdécroissance au même rythme. Sa demi-vie est une caractéristique inhérente.
Il peut sembler étrange de caractériser un élément par le temps qu'il met la moitié à se décomposer; cela n'a pas de sens de parler de la demi-vie d'un seul atome, par exemple. Mais cette mesure est utile car il n'est pas possible de déterminer exactement quel noyau va se désintégrer et quand – le processus ne peut être compris que statistiquement, en moyenne, au fil du temps.
Dans le cas d'un noyau atomique, la définition commune de la demi-vie peut être inversée: la probabilité que ce noyau se désintègre en moins de temps que sa demi-vie est d'environ 50 %.
Équation de désintégration radioactive
Il existe trois équations équivalentes qui donnent le nombre de noyaux restants au momentt. Le premier est donné par :
N(t) = N_0(1/2)^{t/t_{1/2}}
Oùt1/2est la demi-vie de l'isotope. La seconde concerne une variableτ, que l'on appelle la durée de vie moyenne, ou le temps caractéristique :
N(t) = N_0e^{-t/τ}
Le troisième utilise une variableλ, connue sous le nom de constante de décroissance :
N(t) = N_0e^{-λt}
Les variablest1/2, τetλsont tous liés par l'équation suivante :
t_{1/2} = ln (2)/λ = τ × ln (2)
Quelle que soit la variable ou la version de l'équation que vous utilisez, la fonction est une exponentielle négative, ce qui signifie qu'elle n'atteindra jamais zéro. Pour chaque demi-vie qui passe, le nombre de noyaux est divisé par deux, devenant de plus en plus petit mais jamais tout à fait en train de disparaître - du moins, c'est ce qui se passe mathématiquement. En pratique, bien entendu, un échantillon est constitué d'un nombre fini d'atomes radioactifs; une fois que l'échantillon est réduit à un seul atome, cet atome finira par se désintégrer, ne laissant aucun atome de l'isotope d'origine derrière lui.
Datation radioactive
Les scientifiques peuvent utiliser les taux de désintégration radioactive pour déterminer l'âge d'objets ou d'artefacts anciens.
Par exemple, le carbone 14 est constamment reconstitué dans les organismes vivants. Tous les êtres vivants ont le même rapport carbone-12/carbone-14. Ce rapport change une fois que l'organisme meurt parce que le carbone 14 se désintègre tandis que le carbone 12 reste stable. En connaissant le taux de désintégration du carbone 14 (il a une demi-vie de 5 730 ans) et en mesurant la quantité de carbone 14 dans l'échantillon a transmuté en d'autres éléments par rapport à la quantité de carbone-12, il est alors possible de déterminer l'âge des fossiles et similaires objets.
Les radio-isotopes avec des demi-vies plus longues peuvent être utilisés pour dater des objets plus anciens, bien qu'il doit y avoir un moyen de dire quelle quantité de ce radio-isotope était dans l'échantillon à l'origine. La datation au carbone ne peut dater que des objets de moins de 50 000 ans car après neuf demi-vies, il reste généralement trop peu de carbone 14 pour prendre une mesure précise.
Exemples
Si la demi-vie du seaborgium-266 est de 30 secondes, et nous commençons avec 6,02 × 1023 atomes, nous pouvons trouver combien il en reste après cinq minutes en utilisant l'équation de désintégration radioactive.
Pour utiliser l'équation de la décroissance radioactive, nous branchons 6,02 × 1023 atomes pourN0, 300 secondes pourtet 30 secondes pourt1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Et si nous n'avions que le nombre initial d'atomes, le nombre final d'atomes et la demi-vie? (C'est ce que les scientifiques ont lorsqu'ils utilisent la désintégration radioactive pour dater d'anciens fossiles et artefacts.) Si un échantillon de plutonium-238 commençait avec 6,02 × 1023 atomes, et a maintenant 2,11 × 1015 atomes, combien de temps s'est écoulé étant donné que la demi-vie du plutonium-238 est de 87,7 ans ?
L'équation que nous devons résoudre est
2.11\fois 10^{15}=(6.02\fois 10^{23})(1/2)^{\frac{t}{87.7}}
et nous devons le résoudre pourt.
Diviser les deux côtés par 6,02 × 1023, on a:
3,50\x 10^{-9}=(1/2)^{\frac{t}{87,7}}
Nous pouvons alors prendre le log des deux côtés et utiliser la règle des exposants dans les fonctions log pour obtenir :
-19,47 = (t/87,7)log (1/2)
Nous pouvons résoudre cela algébriquement pour obtenir t = 2463,43 ans.