Un peu de physique...

La radioactivité

C’est en 1896 que le phénomène de radioactivité a été mis pour la première fois en évidence par Henri Becquerel qui travaillait à l’époque sur la fluorescence des sels d’uranium. Au début du XXème siècle Marie et Pierre Curie établirent le fait qu’il s’agissait d’un phénomène de nature physique et non chimique. Ils découvrirent deux autres éléments radioactifs, le radium et le polonium. Ernest Rutherford montra ensuite qu’il existait au moins deux types de radioactivité : la radioactivité alpha, qui consiste en l’émission d’un atome d’hélium, et la radioactivité béta.

Stabilité du noyau

La radioactivité est un phénomène qui est en relation directe avec la structure du noyau atomique. Nous avons vu dans le post consacré au sujet du noyau atomique que celui-ci était plus ou moins stable. Sa stabilité dépend du nombre du nucléons qui le composent mais également du rapport entre le nombre de neutrons et le nombre de protons :

  • les noyaux des éléments chimiques possédant un nombre de nucléons élevé vont avoir tendance à se « délester »,
  • pour un même nombre de nucléons il existe une configuration plus stable que les autres en termes de nombre de protons et de neutrons (notion de vallée de stabilité : l’élément qui se trouve “au creux de la vallée de stabilité” est celui dont l’énergie de masse est la plus faible).

La radioactivité s’accompagne toujours d’un dégagement de chaleur correspondant à l’énergie de liaison libérée par la réaction (et donc au différentiel de masse avant et après la réaction).

Radioactivité alpha

La radioactivité alpha correspond au premier cas de figure. Un élément chimique possédant un trop grand nombre de nucléons a tendance à se désintégrer en émettant une particule alpha qui est en fait un noyau d’hélium :

Le produit de la désintégration est un élément dont le noyau comporte 4 nucléons de moins que l’élément d’origine et dont le numéro atomique est décrémenté de deux unités. C’est ainsi par exemple que l’uranium 238U se désintègre en thorium 234Th avec émission d’une particule alpha et d’un photon. 

Radioactivité béta

C’est le deuxième cas de figure. Un élément X possédant A nucléons dont Z protons se trouve soit en excès de neutrons, soit en excès de protons par rapport à la configuration la plus stable. Cette situation de déséquilibre se résout par le bais de l’interaction faible. Dans le cas d’un excès de neutrons, un neutron va donner un proton, un électron et un antineutrino :

Dans le cas d’un excès de protons, un proton va donner un neutron, un positron et un neutrino :

Nota : l’existence du neutrino a été prédite en 1931 par Wolfgang Pauli pour expliquer la radioactivité béta. Le neutrino a été mis en évidence expérimentalement par Clyde Cowan et Frederick Reines plus de 20 ans après en 1956.

Le premier cas correspond à la radioactivité béta- :

Le nombre de nucléons du noyau est inchangé mais son numéro atomique est décrémenté d’une unité. Cette réaction se produit lorsque le gain en énergie de liaison est supérieur à l’énergie de masse de l’électron produit (0,511 MeV). C’est le cas par exemple du cobalt 60Co qui donne du nickel 60Ni. On peut citer également l’étain 127Sn qui donne de l’antimoine 127Sb. L’antimoine se désintègre à son tour en 127Te. En bout de chaîne le tellure 127Te se désintègre très lentement en iode 127I.

Le second cas correspond à la radioactivité béta+ :

Le nombre de nucléons est toujours inchangé mais le numéro atomique est incrémenté d’une unité. C’est le cas du fluor 18F qui donne de l’oxygène 18O. Le lanthane 127La quant à lui donne du baryum 127Ba qui se désintègre en 127Cs. La chaîne se continue avec le 127Xe qui donne à son tour de l’iode 127I.

Remarque : l’iode 127I avec ses 53 protons est au creux de la vallée de stabilité. Le lanthane 127La, le baryum 127Ba, le césium 127Cs et le xénon 127Xe ont un excès de protons (respectivement 57, 56, 55, 54). L’étain 127Sb, l’antimoine 127Sb et le tellure 127Te ont un excès de neutrons et un déficit de protons (respectivement 50, 51, 52). Cela leur confère un excédent d’énergie de masse un peu inférieur à 8 MeV pour l’étain 127Sn et un peu supérieur à 8 MeV pour le lanthane 127La.

Rayons gamma

La radioactivité s’accompagne d’un réarrangement des charges internes du noyau nouvellement formé ainsi que de la couche la plus profonde du nuage électronique. Il y a alors émission d’un rayon gamma, un photon dont la longueur d’onde est inférieure à 10-11 m.

Caractérisation de la radioactivité

On appelle demi-vie le temps au bout duquel la moitié des atomes d’un élément radioactif se sont désintégrés. La demi-vie d’un élément peut être très courte (moins d’une minute) tout comme elle peut être extraordinairement longue (plusieurs milliards d’années).

Le becquerel (Bq) caractérise le nombre de désintégrations par seconde. Le sievert (Sv) est une mesure de la dose absorbée par un individu exposé à un produit radioactif pondérée par sa nocivité. Elle est parfois exprimée en rem (10 milli-sievert).

Radioactivité naturelle

La matière qui nous entoure est constituée d’éléments qui, pour une partie non négligeable d’entre eux, se sont formés par agrégation de noyaux existant avec des neutrons lors de l’explosion de supernovæ. Les noyaux résultant de ces réactions de fusion ne sont pas tous stables et ils vont avoir tendance à se débarrasser des nucléons en surnombre, voire même à se scinder en deux. Ces éléments radioactifs sont appelés radioisotopes. Parmi ceux-ci, seuls les éléments ayant la durée de vie la plus longue ont subsisté : uranium, thorium. Leur désintégration progressive a produit d’autres éléments radioactifs comme le radon ou le potassium 40K. L’azote contenu dans l’atmosphère est à l’origine du renouvellement permanent d’un autre élément radioactif, le carbone 14 (14C). La Terre est constamment bombardée par des rayons cosmiques. En interagissant avec l’azote 14N des hautes couches de l’atmosphère, ces rayons produisent en permanence du 14C. La demi-vie du 14C est de 5730 ans mais il est renouvelé constamment par les rayons cosmiques. La radioactivité du noyau et du manteau contribuent à entretenir la température au cœur de la Terre. Au sein du noyau, elle participe au mouvement de convexion qui entretient le champ magnétique terrestre.

La radioactivité moyenne en France est estimée à 0,5 mSv mais elle varie énormément en fonction de la nature des sols. Les sols granitiques contenant des traces d’uranium conduisent à un taux de radioactivité plus élevé. La mesure de la teneur en radioisotope est utilisée pour établir la datation en absolu de couches géologiques. On utilise par exemple :

  • le couple aluminium 26Al/magnésium 26Mg dont la demi-vie est de 717 millions d’années,
  • le couple potassium 40K/argon 40Ar dont la demi-vie est de 1,25 milliards d’années,
  • la chaîne de désintégration de l’uranium et du thorium en plomb 206Pb (4,5 milliards d’années),
  • le couple rubidium/strontium (47 milliards d’années).

La datation au carbone 14 est plutôt utilisée par les archéologues. Elle part du principe que les artefacts humains et les os des êtres vivants ont une teneur en 14C fixée par l’environnement. Une fois enfoui, le 14C qu’ils contiennent commence à se désintégrer en 12C. La demi-vie de 5730 ans du 14C limite cependant la portée de cette datation aux temps historiques et à la préhistoire proche.

Radioactivité artificielle

En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann ont découvert que l’uranium avait des propriétés très particulières lorsqu’il était soumis à un flux de neutrons. Lise Meitner et Otto Frisch furent les premiers à faire une analyse correcte du phénomène en montrant qu’il résulte de la fission du noyau de l’uranium 235U en deux atomes plus légers : le krypton 92Kr et le baryum 141Ba.

Cette réaction de fission est dite induite car elle nécessite l’apport d’un neutron. Une quantité importante d’énergie est libérée lors de la fission (202,8 MeV par noyau fissionné). Elle est due à la différence entre la masse du noyau de l’uranium et la somme des masses des noyaux produits. Les neutrons produits par la fission sont des neutrons rapides. La plupart du temps, ils sont simplement diffusés par les noyaux qu’ils rencontrent sur leur chemin et s’échappent avant de se désintégrer. La probabilité qu’ils interagissent avec un autre noyau d’uranium et provoquent sa fission dépend en effet fortement de leur énergie cinétique. Elle est faible pour des neutrons dont l’énergie cinétique est de 2 MeV (c.à.d telle qu’elle est juste après fission). Lorsque la masse d’uranium (ou de plutonium) dépasse une certaine masse critique, les diffusions successives des neutrons sur les noyaux avoisinants sont cependant suffisantes pour les ralentir et entamer une réaction en chaîne. D’autres noyaux fissionnent, produisant de nouveaux neutrons qui à leur tour sont ralentis… La réaction s’emballe.

C’est ce type de réaction qui est utilisé dans les bombes nucléaires dites bombes A. La première bombe A a été testée par les Etats Unis à Alamogordo le 16 juillet 1945 (projet Manhattan). Le 6 août de cette même année, une bombe à uranium dévasta la ville d’Hiroshima au Japon. Elle fut suivie par le largage d’une bombe au plutonium sur Nagasaki le 9 août.

Applications de la radioactivité

L’utilisation militaire de la radioactivité et plus particulièrement de la fission est certainement son application la plus connue. Les centrales nucléaires en sont une autre. Les centrales nucléaires utilisent l’énergie de fission pour produire de l’électricité. Le processus de régulation d’une centrale nucléaire est très complexe : une réaction en chaîne est, par nature, divergente. Il s’agit donc d’entretenir la réaction en évitant qu’elle s’emballe. Il faut pour cela :

  • ralentir les électrons pour optimiser le rendement,
  • en capturer une partie pour éviter le divergence,
  • réguler la puissance en fonction du besoin.

Les neutrons sont ralentis dans l’eau (ordinaire ou eau lourde) qui sert également de fluide caloporteur pour récupérer l’énergie produite. On évite la divergence en capturant une partie des neutrons grâce à des barres de cadmium ou de carbure de bore. La régulation est assurée en faisant varier le degré d’immersion des barres (barres d’uranium et barres de cadmium ou de carbure de bore).

Plusieurs accidents de grande ampleur (Three Miles Island, Tchernobyl, Fukushima) et de nombreux incidents moins graves ont rendu l’énergie nucléaire de moins en moins acceptable par l’opinion publique. La tendance actuelle est au désengagement.

La radiothérapie est, quant à elle, basée sur l’utilisation de la radioactivité naturelle du radium. Elle est utilisée en combinaison avec la chimiothérapie dans le traitement du cancer.

 

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