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II) Les rayonnements émis par la radioactivité
1) Introduction à la radioactivité

   La radioactivité est un phénomène inhérent à l´utilisation de la bombe atomique et plus généralement au maniement d´éléments radioactifs, comme l´uranium. Mais qu´est-ce que la radioactivité? Ce mot désigne la transformation d´un noyau atomique en un autre accompagnée d´une émission de rayonnements. Elle a été découverte en 1896 par le physicien français Henri Becquerel qui constata que des composés de l´élément uranium pouvaient noircir une plaque photographique, en émettant un rayonnement invisible ionisant l´air. Mais ce sont Pierre et Marie Curie qui inventent en 1898 le terme de radioactivité. Ils montrent que le phénomène n´est pas seulement lié à l´uranium et découvrent d´autres éléments radioactifs : le polonium, le radium et le thorium.
   Nous étudierons tout d´abord les diverses caractéristiques des noyaux radioactifs, puis celles des différents rayonnements qu´ils émettent en se désintégrant.

a) Noyaux stables et instables
Introduction

   La grande majorité des noyaux naturels sont stables, les noyaux instables ayant disparu du fait de la radioactivité. Les seuls noyaux radioactifs subsistants ont soit une durée de vie très longue, de l´ordre du milliard d´années (comme l´uranium ou le thorium) ou sont constamment régénérés (comme le carbone 14 ou le tritium renouvelés sous l´effet du rayonnement cosmique).

La vallée de la stabilité

   Pour la centaine d´éléments existants, nous connaissons aujourd´hui environ 350 noyaux naturels, dont une soixantaine instables, c´est-à-dire radioactifs, et plus de 1500 noyaux artificiels qui sont tous instables. Cela nous mène à construire un graphique, la carte des noyaux (fig. 4), représentant tous les noyaux connus classés en fonction de leur nombre de charges (N : représente le nombre de neutrons présents dans un noyau) et de leur nombre de masse (Z : représente le nombre de protons). L´ensemble des noyaux stables représentés en rouge sur ce graphique forme ce que l´on appelle la vallée de la stabilité.

fig. 4 : cartographie des différents noyaux stables et instables connus

   Les noyaux instables se divisent en 3 catégories selon la place qu´ils occupent par rapport à la vallée de la stabilité :
  • Les noyaux placés en bout de la vallée de la stabilité sont les plus lourds. Ils rejoignent le domaine de stabilité en émettant des particules α. Ils sont dits radioactifs α (représentés en jaune).
  • Les noyaux placés au-dessus de la vallée de la stabilité sont radioactifs β- (bleu).
  • Les noyaux placés au-dessous de la vallée de la stabilité sont radioactifs β+ (vert).
   Tous les noyaux placés dans la même colonne sont tous les isotopes connus d´un même élément.

b) La désintégration des noyaux
La filiation radioactive

   Un noyau instable se désintègre en émettant une des 3 particules vues précédemment. Chaque désintégration permet à ce noyau de se rapprocher du domaine de stabilité. L´ensemble des noyaux créés par la succession de ces désintégrations est nommé filiation radioactive du noyau d´origine. Voici par exemple la filiation radioactive de l´uranium 238. Ce noyau se désintègre tout d´abord en Thorium 234 qui lui même se désintègre en Protactinium 234 etc. Cette cascade d´évènements s´effectue jusqu´à ce qu´une désintégration amène à un noyau stable, ici le Plomb 206, résultat de la désintégration α du Polonium 210.

fig.5 : désintégration de l´uranium 238

La période

   Chaque élément radioactif, en plus de la nature de son rayonnement, est caractérisé par sa période. Pour un échantillon de noyaux radioactifs donné, la période, également appelée demie-vie, est le temps au bout duquel le nombre de noyaux initialement présent est divisé par 2. Cette durée peut aller de la fraction de seconde au milliard d´années selon le noyau radioactif choisi. On peut se rendre compte de l´énorme différence entre les périodes en regardant celle des éléments constituant la filiation radioactive de l´uranium 238 :

Elément
Période
Emetteur
Uranium - 238 4,468 milliards d’années
α
Thorium - 234 24,10 jours
β-
Protactinium - 234 6,70 heures
β-
Uranium - 234 245 500 ans
α
Thorium - 230 75 380 ans
α
Radium - 226 1600 ans
α
Radon - 222 3,8235 jours
α
Polonium - 218 3,10 minutes
α
Plomb - 214 26,8 minutes
β-
Bismuth - 214 19,9 minutes
β-
Polonium - 214 164,3 microsecondes
α
Plomb - 210 22,3 ans
β-
Bismuth - 210 5,013 jours
β-
Polonium - 210 138,376 jours
α
Plomb - 206 Stable
Filiation radioactive de l´uranium 238