Types de désintégration radioactive: alpha, bêta, gamma

​Radioactifest un mot qui n'est pas si bien compris. Noyé dans la peur et semblant intrinsèquement extraterrestre et dangereux, la nature de la désintégration radioactive vaut la peine d'être apprise, que vous soyez un étudiant en physique ou simplement un profane intéressé.

La réalité est que la radioactivité décrit essentiellement des réactions nucléaires qui conduisent à une modification du numéro atomique d'un élément et/ou à un dégagement de rayonnement gamma. Il est dangereux en grande quantité car le rayonnement libéré est « ionisant » (c'est-à-dire qu'il a suffisamment d'énergie pour retirer les électrons des atomes) mais c'est un phénomène physique intéressant et dans la pratique, la plupart des gens ne seront jamais assez à proximité de matières radioactives pour être en danger.

Les noyaux peuvent atteindre un état d'énergie inférieur par fusion - c'est-à-dire lorsque deux noyaux fusionnent pour créer un plus lourd noyau, libérant de l'énergie dans le processus - ou par fission, qui est la division d'éléments lourds en éléments plus légers ceux. La fission est la source d'énergie des réacteurs nucléaires, mais aussi des armes nucléaires, et c'est en particulier ce que la plupart des gens imaginent lorsqu'ils pensent à la radioactivité. Mais la plupart du temps, lorsque les noyaux passent à un état d'énergie plus faible dans la nature, il s'agit d'une désintégration radioactive.

Il existe trois types de désintégration radioactive: la désintégration alpha, la désintégration bêta et la désintégration gamma, bien que la désintégration bêta en elle-même se présente sous trois types différents. L'apprentissage de ces formes de désintégration nucléaire est une partie cruciale de tout cours de physique nucléaire.

La désintégration alpha se produit lorsqu'un noyau émet ce qu'on appelle une « particule alpha » (particule α). Une particule alpha est une combinaison de deux protons et de deux neutrons, que si vous connaissez votre tableau périodique, vous reconnaîtrez comme un noyau d'hélium.

Le processus est assez facile à comprendre en termes de masse et de propriétés de l'atome résultant: il perd quatre de son nombre de masse (deux des protons et deux des électrons) et deux de son numéro atomique (des deux protons perdu). Cela signifie que l'atome d'origine (c'est-à-dire le noyau « parent ») devient un élément différent (basé sur le noyau « fille ») après avoir subi une désintégration alpha.

Lors du calcul de l'énergie libérée dans la désintégration alpha, vous devez soustraire la masse du noyau d'hélium et le atome fille de la masse de l'atome parent, et convertissez-le en une valeur d'énergie en utilisant le célèbre équationE​ = ​mc​². Il est généralement plus facile d'effectuer ce calcul si vous travaillez en unités de masse atomique (amu) et multipliez la masse manquante par le facteurc​² = 931.494 MeV / amu. Cela renvoie une valeur d'énergie en MeV (c'est-à-dire méga électronvolts), avec un électronvolt égal à 1,602 × 10⁻⁹ joules et généralement une unité plus pratique pour travailler dans les énergies à l'échelle atomique.

Étant donné que la désintégration bêta a trois variétés différentes, il est utile de se renseigner sur chacune d'entre elles, bien qu'il existe de nombreuses similitudes entre elles. La désintégration bêta-plus se produit lorsqu'un proton se transforme en neutron, avec la libération d'une particule bêta-plus (c'est-à-dire une particule β+) avec une particule non chargée et presque sans masse appelée neutrino. À la suite de ce processus, l'atome fille aura un proton de moins et un neutron de plus que l'atome parent, mais le même nombre de masse global.

La particule bêta-plus s'appelle en fait un positron, qui est la particule d'antimatière correspondant à l'électron. Il a une charge positive de la même taille que la charge négative sur l'électron, et la même masse qu'un électron. Le neutrino libéré est techniquement appelé un neutrino électronique. Notez qu'une particule de matière ordinaire et une particule d'antimatière sont libérées dans ce processus.

Le calcul de l'énergie libérée dans ce processus de désintégration est un peu plus compliqué que pour d'autres formes de désintégration, parce que la masse de l'atome parent inclura la masse d'un électron de plus que celle de l'atome fille Masse. En plus de cela, vous devez également soustraire la masse de la particule + qui est émise dans le processus. Essentiellement, vous devez soustraire la masse de la particule fille etdeuxélectrons de la masse de la particule mère, puis convertis en énergie comme auparavant. Le neutrino est si petit qu'il peut être négligé en toute sécurité.

La désintégration bêta-moins est essentiellement le processus inverse de la désintégration bêta-plus, où un neutron se transforme en un proton, libérant une particule bêta-moins (une particule β−) et un antineutrino électronique dans le traiter. En raison de ce processus, l'atome fille aura un neutron de moins et un proton de plus que l'atome parent.

La particule − est en fait un électron, mais elle a un nom différent dans ce contexte car lorsque l'émission bêta pour la désintégration a été découverte pour la première fois, personne ne savait ce qu'était réellement la particule. De plus, les appeler particules bêta est utile car cela vous rappelle que cela vient du processus de désintégration bêta, et cela peut être utile lorsque vous êtes essayer de se souvenir de ce qui se passe dans chacun - la particule bêta positive est libérée en désintégration bêta-plus et la particule bêta négative est libérée en bêta-moins pourriture. Dans ce cas, cependant, le neutrino est une particule d'antimatière, mais encore une fois, une particule d'antimatière et une particule de matière ordinaire sont libérées dans le processus.

Le calcul de l'énergie libérée dans ce type de désintégration bêta est un peu plus simple, car l'électron supplémentaire possédé par l'atome fille s'annule avec l'électron perdu dans l'émission bêta. Cela signifie que pour calculerm, vous soustrayez simplement la masse de l'atome fille de celle de l'atome parent, puis multipliez par la vitesse de la lumière au carré (c​²), comme précédemment, exprimé en méga électronvolts par unité de masse atomique.

Le dernier type de désintégration bêta est assez différent des deux premiers. Dans la capture d'électrons, un proton « absorbe » un électron et se transforme en neutron, avec libération d'un neutrino électronique. Cela réduit donc le numéro atomique (c'est-à-dire le nombre de protons) de un et augmente le nombre de neutrons de un.

Cela peut sembler violer le modèle jusqu'à présent, avec une particule de matière et une particule d'antimatière émises, mais cela donne un indice sur la raison réelle de cet équilibre. Le "nombre de leptons" (que vous pouvez considérer comme un nombre de "famille d'électrons") est conservé, et un électron ou le neutrino électronique a un nombre de leptons de 1, tandis que le positron ou l'antineutrino d'électrons a un nombre de leptons de −1.

Vous devriez être en mesure de voir que tous les autres processus remplissent cela facilement. Pour la capture d'électrons, le nombre de leptons diminue de 1 lorsque l'électron est capturé, donc pour équilibrer cela, une particule avec un nombre de leptons de 1 doit être émise.

Le calcul de l'énergie libérée lors de la capture d'électrons est assez simple: parce que l'électron provient de l'atome parent, vous n'avez pas à vous soucier de la différence de nombre d'électrons entre le parent et la fille atomes. Vous trouvezmen soustrayant simplement la masse de l'atome fille de celle de l'atome parent. L'expression du processus sera généralement écrite avec l'électron sur le côté gauche, mais la règle simple vous rappelle que cela fait en fait partie de l'atome parent en termes de masse.

La désintégration gamma implique l'émission d'un photon de haute énergie (rayonnement électromagnétique), mais le nombre de protons et de neutrons dans l'atome ne change pas en raison du processus. C'est analogue à l'émission d'un photon lorsqu'un électron passe d'un état d'énergie plus élevée à un état d'énergie plus faible, mais la transition dans ce cas a lieu dans le noyau de l'atome.

Tout comme dans la situation analogue, le passage d'un état d'énergie plus élevée à un état d'énergie plus faible est compensé par l'émission d'un photon. Ceux-ci ont des énergies supérieures à 10 keV et sont généralement appelés rayons gamma, bien que la définition ne soit pas vraiment stricte (la gamme d'énergie se chevauche avec les rayons X, par exemple).

L'émission alpha ou bêta peut laisser un noyau dans un état excité à haute énergie, et l'énergie libérée à la suite de ces processus se fait sous forme de rayons gamma. Cependant, le noyau peut également se retrouver dans un état d'énergie plus élevée après être entré en collision avec un autre noyau ou avoir été heurté par un neutron. Le résultat dans tous les cas est le même: le noyau passe de son état excité à un état d'énergie inférieure et libère des rayons gamma dans le processus.

L'uranium-238 se désintègre en thorium-234 avec la libération d'une particule alpha (c'est-à-dire un noyau d'hélium), et c'est l'un des exemples les plus connus de désintégration radioactive. Le processus peut être représenté comme :

Afin de calculer la quantité d'énergie libérée dans ce processus, vous aurez besoin des masses atomiques: ²³⁸U = 238.05079 uma, ²³⁴Th = 234,04363 amu et ⁴He = 4,00260 amu, avec toutes les masses exprimées en unités de masse atomique. Maintenant, pour calculer la quantité d'énergie libérée dans le processus, il ne vous reste plus qu'à trouver ∆men soustrayant les masses des produits de la masse de l'atome parent d'origine, puis calculez la quantité d'énergie que cela représente.

La désintégration radioactive se produit souvent en chaînes, avec plusieurs étapes entre le point de départ et le point final. Ces chaînes de désintégration sont longues et nécessiteraient de nombreuses étapes pour calculer la quantité d'énergie libérée dans l'ensemble du processus, mais prendre un morceau d'une telle chaîne illustre l'approche.

Si vous regardez la chaîne de désintégration du thorium-232, près de la fin de la chaîne, un noyau instable (c'est-à-dire un atome d'un isotope instable, avec une courte demi-vie) du bismuth-212 subit une désintégration bêta-moins en polonium-212, qui subit ensuite une désintégration alpha en plomb-208, un isotope. Vous pouvez calculer l'énergie libérée dans ce processus en procédant étape par étape.

Premièrement, la désintégration bêta-moins du bismuth-212 (m= 211.99129 amu) en polonium-212 (m= 211.98887 amu) donne :

Se rappeler que le changement du nombre d'électrons s'annule dans la désintégration bêta-moins. Cela libère :

L'étape suivante est la désintégration alpha du polonium-212 en plomb-208 (m= 207,97665 amu) et un noyau d'hélium.

Et l'énergie est :

Au total, il y a donc 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV d'énergie libérée dans le processus. Bien sûr, si vous faites attention (y compris la particule alpha et des électrons supplémentaires si votre processus comprend une désintégration bêta-plus), vous peut calculer la différence de masse en une seule étape puis la convertir, mais cette approche vous indique l'énergie libérée à chaque étape.