Radioactif
est un mot qui n'est pas très bien compris. Inondée de peur et apparemment intrinsèquement étrangère et dangereuse, la nature de la désintégration radioactive est quelque chose qui mérite d'être appris si vous êtes un étudiant en physique ou simplement un profane intéressé.

La réalité est que la radioactivité décrit essentiellement les réactions nucléaires qui conduisent à une modification du numéro atomique d'un élément et /ou à une libération de rayonnement gamma. Il est dangereux en grande quantité car le rayonnement émis 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 autour des 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 noyau plus lourd, libérant de l'énergie dans le processus - ou par fission, qui est la division d'éléments lourds en éléments plus légers. . La fission est la source d'énergie dans les réacteurs nucléaires, ainsi que dans les 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 inférieur dans la nature, c'est à la désintégration radioactive.

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

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 le 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 perdus). 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 avez besoin pour soustraire la masse du noyau d'hélium et de l'atome fille de la masse de l'atome parent, et la convertir en une valeur d'énergie en utilisant la célèbre équation d'Einstein E
\u003d 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 facteur c
2 \u003d 931,494 MeV /amu. Cela renvoie une valeur d'énergie en MeV (c.-à-d. Des méga-électron-volts), une électron-tension étant égale à 1,602 × 10 - 9 joules et généralement une unité plus pratique pour travailler dans les énergies à l'échelle atomique.
Beta Decay: Beta-Plus Decay (Positron Emission)}

Étant donné que la désintégration bêta a trois variétés différentes, il est utile d'en apprendre plus sur chacune d'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 est en fait appelée positron, qui est la particule d'antimatière correspondant à l'électron. Il a une charge positive de la même taille que la charge négative de l'électron et de la même masse qu'un électron. Le neutrino libéré est techniquement appelé neutrino électronique. Notez qu'une particule de matière régulière 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, car la masse du parent l'atome comprendra la masse d'un électron de plus que la masse de l'atome fille. En plus de cela, vous devez également soustraire la masse de la particule β + qui est émise dans le processus. Essentiellement, vous devez soustraire la masse de la particule fille et deux
électrons de la masse de la particule parent, puis convertir en énergie comme auparavant. Le neutrino est si petit qu'il peut être négligé en toute sécurité.
Beta Decay: Beta-Minus Decay

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

La particule β− est en fait un électron, mais elle a un nom différent dans ce contexte parce que lorsque la bêta émission 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 qu'elle provient du processus de désintégration bêta, et elle peut être utile lorsque vous essayez de vous rappeler ce qui se passe dans chacune - la particule bêta positive est libérée dans la désintégration bêta-plus et la particule bêta négative est libérée dans la désintégration bêta-moins. Dans ce cas, cependant, le neutrino est une particule d'antimatière, mais encore une fois, une antimatière et une particule de matière régulière sont libérées dans le processus.

Le calcul de l'énergie libérée dans ce type de désintégration bêta est un peu plus simple, parce que l'électron supplémentaire possédé par l'atome fille s'annule avec l'électron perdu dans l'émission bêta. Cela signifie que pour calculer ∆ m
, 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, exprimée en méga-électronvolts par unité de masse atomique.
Beta Decay - Electron Capture}

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

Cela pourrait sembler violer le modèle jusqu'à présent, avec une matière et une particule d'antimatière étant émis, mais il 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 un neutrino d'électrons 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 pouvoir voir que tous les autres processus y parviennent 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 tenir compte de la différence du nombre d'électrons entre les atomes parent et fille. Vous trouvez ∆ m
en 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.
Gamma Decay

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 supérieure à un état d'énergie inférieur, mais la transition dans ce cas a lieu dans le noyau de l'atome.

Tout comme dans la situation analogue , la transition d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieur est compensée 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 plage d'énergie chevauche les rayons X, par exemple).

L'émission alpha ou bêta peut laisser un noyau dans un état excité de plus 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 supérieure après une collision avec un autre noyau ou après avoir été frappé par un neutron. Dans tous les cas, le résultat est le même: le noyau passe de son état excité à un état d'énergie inférieure et libère des rayons gamma dans le processus.
Exemples de désintégration radioactive - Uranium

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:
^ {238} \\ text {U} \\ to \\; ^ {234} \\ text {Th} + \\; ^ 4 \\ text {He}

Afin de calculer comment beaucoup d'énergie est libérée dans ce processus, vous aurez besoin des masses atomiques: ^{238U \u003d 238.05079 amu, 234Th \u003d 234.04363 amu et 4He \u003d 4.00260 amu, avec toutes les masses exprimées en unités de masse atomique . Maintenant, pour déterminer la quantité d'énergie libérée dans le processus, il vous suffit de trouver ∆ m
en soustrayant les masses des produits de la masse de l'atome parent d'origine, puis de calculer la quantité de l'énergie que cela représente.
\\ begin {aligné} ∆m &\u003d \\ text {(masse du parent)} - \\ text {(masse des produits)} \\\\ &\u003d 238.05079 \\ text {amu} - 234.04363 \\ text { amu} - 4,00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0,00456 \\ text {amu} \\\\ E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0,00456 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 4.25 \\ text {MeV} \\ end {aligné} Exemple de désintégration radioactive en plusieurs étapes}

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 de ces chaînes illustre l'approche.

Si vous regardez la chaîne de désintégration du thorium- 232, près de l'extrémité de la chaîne, un noyau instable (c'est-à-dire un atome d'un isotope instable, avec une courte demi-vie) de bismuth-212 subit une désintégration bêta-moins en polonium-212, qui subit ensuite une désintégration alpha en "lead-208, a stable isotope.", 3, [[Vous pouvez calculer l'énergie libérée dans ce processus en le prenant pas à pas.

Premièrement, la désintégration bêta-moins du bismuth-212 ( m
\u003d 211.99129 amu) en polonium-212 ( m
\u003d 211.98887 amu) donne:
\\ begin {aligné} ∆m &\u003d \\ text {(masse du parent)} - \\ text {(masse de la fille)} \\\\ &\u003d 211.99129 \\ text {amu} - 211.98887 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00242 \\ text {amu} \\ end {aligné}

Se souvenant que le changement du nombre d'électrons s'annule en décroissance bêta-moins. Cela libère:
\\ begin {aligné} E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0.00242 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 2.25 \\ text {MeV} \\ end { aligné}

L'étape suivante est la désintégration alpha du polonium-212 au plomb-208 ( m
\u003d 207,97665 amu) et un noyau d'hélium.
\\ begin {aligné} ∆m &\u003d \\ text {(masse du parent)} - \\ text {(masse des produits)} \\\\ &\u003d 211.98887 \\ text {amu} - 207.97665 \\ text {amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00962 \\ text { amu} \\ end {aligné}

Et l'énergie est:
\\ begin {alignée} E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0,00962 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\ \\ &\u003d 8,96 \\ text {MeV} \\ end {aligné}

Au total, il y a donc 2,25 MeV + 8,96 MeV \u003d 11,21 MeV d'énergie libérée dans le processus. Bien sûr, si vous faites attention (y compris la particule alpha et les électrons supplémentaires si votre processus comprend une désintégration bêta-plus), vous pouvez calculer la différence de masse en une seule étape, puis convertir, mais cette approche vous indique l'énergie libérée "at each stage.
", 3, [[