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Radioactivité alpha, bêta, gamma

Dossier - Voyage au coeur de la matière
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Vous restez imperméable à la physique ? Découvrez dans ce dossier les éléments qui composent la matière, expliqués simplement : forces, atomes et nucléons, radioactivité...

  
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Certains atomes sont radioactifs, c'est-à-dire qu'ils émettent un rayonnement. En fait, c'est le noyau de ces atomes qui émet ce rayonnement, car ce noyau est instable. Contrairement à ce que beaucoup de gens croient, la radioactivité est un phénomène tout à fait naturel. On distingue trois types de radioactivité d'origines différentes : les radioactivités alpha, beta et gamma. Parmi les réactions nucléaires possibles, se trouvent la fission nucléaire et la fusion nucléaire.

Illustration de la différence entre la fission et la fusion nucléaire. © DR

La radioactivité alpha

Un atome radioactif alpha émet une « particule alpha », c'est-à-dire un noyau d'hélium (en fait deux protons et deux neutrons). Ainsi le noyau, en perdant deux protons, change de nature. Par exemple, un atome de polonium 210 (84 protons et 126 neutrons) devient, par radioactivité alpha, un atome de plomb 206 (82 protons et 124 neutrons). L'origine de la radioactivité alpha est une instabilité globale du noyau de l'atome qui se stabilise en éjectant ces deux protons et deux neutrons.

La radioactivité beta

La radioactivité beta existe sous deux formes : beta+ et beta-.Un atome radioactif beta- émet un électron et un antineutrino électronique. Un atome radioactif beta+ émet un antiélectron (ou positron) et un neutrino électronique. En plus de cette émission de particules, la nature des nucléons de ce noyau est modifiée. Ainsi, dans le cas d'une désintégration beta-, un neutron se change en proton. Dans le cas d'une désintégration beta+, c'est un proton qui se change en neutron. Le noyau change donc de nature.

Par exemple, un atome de potassium 40 (19 protons et 21 neutrons) devient, par radioactivité beta-, un atome de calcium 40 (20 protons et 20 neutrons). De même, un atome de carbone 14 (6 protons et 8 neutrons) se désintègre en un atome d'azote 14 (7 protons et 7 neutrons). L'origine de la radioactivité beta est une désintégration d'un proton ou d'un neutron par interaction faible.

La radioactivité beta. © Crédits réservés

Plus précisément, c'est un des quarks du nucléon qui se désintègre. Ainsi, dans le cas de la radioactivité beta-, un quark down du neutron se désintègre en un quark up, un électron et un antineutrino électronique. Il reste donc dans le nucléon deux quarks up et un quark down, le neutron devient donc un proton. Dans le cas de la désintégration beta+, un quark up du proton se désintègre en un quark down, un positron et un neutrino électronique, le proton devient donc un neutron.

Le neutron devient proton. © DR

La radioactivité gamma

Un atome radioactif gamma émet un photon (aussi appelé gamma). L'origine de cette radioactivité est une excitation globale du noyau qui se désexcite en émettant ce photon (donc en perdant de l'énergie). Cette excitation initiale du noyau est souvent due à une première désintégration par radioactivité alpha ou beta et la radioactivité gamma accompagne donc souvent ces deux premières.

La radioactivité gamma ne change pas la nature de l'atome qui la subit, puisque le nombre de nucléons ne change pas dans le noyau.

Un peu d'histoire

La découverte de la radioactivité est très récente, puisqu'elle remonte à la fin du XIXe siècle, et a révolutionné la science. En effet, c'est cette découverte qui a permis de commencer à comprendre la structure des atomes.

En 1896, Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium, alors qu'il étudie les rayons X découverts par Röntgen un an plus tôt. Quelques mois plus tard, Marie Sklodowska, qui vient d'épouser Pierre Curie, soutient sa thèse et montre que, comme l'uranium, le thorium est aussi radioactif. En 1898, Pierre et Marie Curie découvrent un élément beaucoup plus radioactif, qu'ils appellent le polonium. Puis, ils découvrent un autre élément très radioactif, le radium, ce qui leur vaut le prix Nobel de physique en 1903. De plus, Marie Curie reçoit le prix Nobel de chimie en 1911 pour sa mise au point d'un procédé permettant d'isoler le radium.

Enfin, en 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie (Irène est la fille de Pierre et Marie Curie) découvrent la radioactivité artificielle. Ils sont récompensés l'année suivante par le prix Nobel de chimie.

Qu'est-ce que la période d'un élément radioactif ?

Un élément radioactif alpha ou beta change de nature à mesure que ses atomes se désintègrent. Ainsi, si on a une quantité d'un élément radioactif, après un certain temps une partie de cet élément aura été transformée en un autre élément, la quantité d'élément de départ aura diminué. Au bout d'un moment, il ne restera plus que la moitié de l'élément de départ, ce temps est la période de cet élément.

Par exemple, si on a 10 grammes de polonium 210 au départ, il faudra attendre environ 138 jours pour n'en avoir plus que 5 grammes, on aura alors aussi environ 5 grammes de plomb 206. La période du polonium 210 est donc de 138 jours. Autre exemple, si on a 10 grammes de potassium 40 au départ, il faudra attendre 1,3 milliards d'années pour n'en avoir plus que 5 grammes ! Enfin, la période du carbone 14 est de 5.600 ans. On peut donc voir que les périodes peuvent être très différentes pour différents éléments.

La radioactivité naturelle

La radioactivité naturelle est très importante mais assez mal connue. C'est probablement une source d'énergie importante qui contribue à maintenir le magma en fusion sous la croûte terrestre (que l'on aperçoit parfois en surface sous la forme de lave).

Un corps humain contient environ 20 milligrammes de potassium 40, un élément radioactif beta naturel.

Ainsi, un corps humain produit environ 340 millions de désintégrations beta par jour, naturellement !

La connaissance des proportions naturelles des éléments radioactifs et de leurs périodes permet de calculer l'âge d'objets qui les contiennent. Cette méthode est largement utilisée pour dater des objets par les archéologues, par exemple en utilisant le carbone 14.

La radioactivité artificielle

Certains éléments radioactifs sont naturellement présents dans la nature : par exemple le carbone 14 ou le potassium 40. Cependant, il est aussi possible de créer artificiellement des éléments radioactifs qui ne se trouvent pas dans la nature, c'est la radioactivité artificielle. Pour cela, il faut bombarder des atomes « naturels » avec des protons ou des neutrons (ou des noyaux d'hélium, les particules alpha). De cette manière, les noyaux des atomes de départ sont modifiés, c'est donc une réaction nucléaire.

Qu'est-ce que la fission nucléaire ?

La fission d'un atome correspond à la séparation en deux morceaux du noyau de cet atome, avec en plus quelques neutrons. Les deux atomes restant sont en général radioactifs.

Un atome peut fissionner soit de manière spontanée si son noyau est trop lourd, soit parce qu'il a été heurté par un neutron. Ainsi, les neutrons émis lors de la fission vont engendrer d'autres fissions, ce qui se traduit par une réaction en chaîne. C'est ce processus qui est utilisé dans les réacteurs nucléaires et les bombes A, car la fission s'accompagne de libération d'énergie.

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion de deux atomes apparaît lorsque les noyaux de ces deux atomes sont suffisamment proches l'un de l'autre pour fusionner, c'est-à-dire pour former un unique noyau.

Comme les noyaux ont une charge électrique positive, ils se repoussent mutuellement, ce qui les empêche de fusionner. Si ces atomes sont dans un milieu très chaud, ils auront des vitesses suffisamment élevées pour pouvoir fusionner avant d'être séparés par la répulsion électromagnétique. C'est pourquoi on parle souvent de fusion thermonucléaire. Au cœur du Soleil, la température est suffisamment élevée pour que des réactions de fusion nucléaire aient lieu : c'est ce qui fait briller le Soleil, car ces réactions s'accompagnent de libération d'énergie.

La fusion nucléaire n'est pas encore utilisée pour produire de l'énergie car il est très difficile de faire un réacteur fonctionnant à la température nécessaire de plusieurs millions de degrés ! Par contre, elle est malheureusement utilisée dans les bombes H.