Physique 6 DECROISSANCE RADIOACTIVE

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DECROISSANCE RADIOACTIVE - Leçon n° 6
La radioactivité est l'exemple type du fait que certains phénomènes naturels intéressent
plusieurs domaines de la science. Le physicien nucléaire s'intéresse à la modification
spontanée de certains noyaux d'atomes. Le mathématicien trouve là l'occasion d'appliquer
concrètement certains théorèmes relatifs aux solutions d'équations différentielles ou aux
calculs des probabilités. Le spécialiste des sciences de la Terre s'intéresse à la radioactivité
pour la datation des roches ou des organismes fossiles. Le spécialiste des sciences de la vie
s'intéresse aux conséquences biologiques positives ou négatives des rayonnements
radioactifs.
1- LA COMPOSITION DU NOYAU
Dans les classes antérieures nous avons vu qu'un atome est constitué d'un noyau central et
d'un nuage électronique.
1-1 Composition du noyau
·Par exemple, l'atome de chlore le plus abondant dans la nature possède un noyau central
contenant Z = 17 protons positifs et N = 18 neutrons. Le nombre de nucléons est donc A = Z +
N = 17 + 18 = 35. On symbolise ce noyau par .
·De façon générale le noyau d'un atome correspondant à un élément X constitué de A
nucléons (Z protons et N neutrons) est noté .
La relation A = Z + N permet de calculer le nombre de neutrons présents dans le noyau.
·Le noyau contient des protons positifs qui se repoussent. En classe de première nous avons
vu que la cohésion du noyau est assurée par l'interaction forte entre les nucléons.
Remarque : Z est également appelé le numéro atomique. C'est le numéro de la case du
tableau périodique des éléments dans laquelle se trouve le chlore.
1-2 Le nuage électronique
Loin du noyau se trouve le cortège électronique. Un atome, étant électriquement neutre,
possédera autant d'électrons négatifs dans le nuage électronique que de protons positifs dans
le noyau. De façon élémentaire, on peut dire que les électrons se répartissent sur des couches
K, L, M, N ... de plus en plus éloignée du noyau central.
Le diamètre d'un noyau est de l'ordre de 10 - 15 m. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10
- 10 m. Remarquons que la définition du diamètre d'un atome est ambiguë. Il en existe plusieurs
qui seront définis lors d'études ultérieures.
Règle de répartition des électrons sur les différentes couches K, L, M, N ...
La couche n (entier > 0) contient au maximum 2 ´ n² électrons.
La couche ncontient au maximum 2 n² électrons.
La couche n = 1 (K) contient au maximum 2 ´ 1² = 2 électrons.
La couche n = 2 (L) contient au maximum 2 ´ 2² = 8 électrons.

La couche n = 3 (M) contient au maximum 2 ´ 3² = 18 électrons.
La couche n = 4 (N) . . . . . .
L'atome de chlore possédant 17 protons positifs p + dans le noyau aura donc 17 électrons
négatifs e - répartis sur trois couches, loin du noyau :
(K)2 (L)8 (M)7
1-3 Les isotopes
·A un même élément chimique peuvent correspondre plusieurs atomes différents. Ces atomes
ont le même cortège électronique mais ils diffèrent par leur noyau.
Des noyaux isotopes possèdent le même nombre de protons Z, mais des nombres de neutrons
N différents.
Exemple 1 : A l'état naturel, l'élément chlore se présentent sous la forme de deux isotopes :
et .
Les atomes (également appelés atomes isotopes) correspondants à ces deux noyaux isotopes
possèdent le même cortège électronique et ont donc des propriétés chimiques identiques.
Leurs propriétés physique, par exemple leur masse, sont évidemment différentes.
On peut écrire pour ces 2 isotopes : K2 L8 M7 et K2 L8 M7. La partie noire décrit le
noyau et la partie rouge décrit le cortège d'électrons.
D'autres isotopes du chlore se rencontrent en physique nucléaire, tous obéissent à la
représentation K2 L8 M7
Remarque : L'ion chlorure Cl - constituant avec l'ion Na + le sel de cuisine est présent sous les
2 formes :
K2 L8 M7+1 et K2 L8 M7+1
Exemple 2 : Les trois isotopes les plus connus de l'élément carbone sont : , et .
On peut écrire : K2 L4 K2 L4 K2 L4
·Aux 92 éléments qui existent sur Terre à l'état naturel correspondent 350 noyaux différents
(290 sont stables, 60 sont radioactifs).
·Aux 112 éléments que l'on connaît dans les laboratoires de physique nucléaire correspondent
plus de 3000 noyaux différents.
2- RADIOACTIVITE a, b -, b +. Emission g
Becquerel (1850 - 1908) découvre en 1896 que certains sels d'uranium émettent des
"rayonnements" pouvant traverser la matière et pouvant impressionner des plaques photos
placées dans l'obscurité.
Progressivement, on a pu déterminer la nature de ces rayonnements.
2-1 Les quatre principaux types de rayonnement radioactif

·Les particules alpha ( a + + ) sont des noyaux d'hélium positifs, notés . Ces particules,
formées de deux protons et de deux neutrons, sont déviées légèrement par un champ
magnétique ou électrique, car leur masse est importante. Leur pouvoir de pénétration est
faible. Quelques centimètres d'air ou une mince feuille de papier d'aluminium suffisent à les
arrêter.
·Les particules bêta moins ( b - ) sont des électrons, notés . Leur faible masse fait en sorte
que ces particules sont facilement déviées par un champ électrique ou magnétique, dans le
sens opposé de la déviation des particules alpha. Leur grande vitesse leur procure un pouvoir
de pénétration supérieur à celui des particules alpha. Il faut plusieurs mètres d'air ou quelques
centimètres d'aluminium pour les arrêter.
·Les particules ß+ sont des positons, encore appelés antiélectrons (antiparticules des
électrons), notés . Ces positons ont la même masse que les électrons mais une charge
électrique opposée. Leur pouvoir de pénétration propre est très faible car ils s'annihilent
lorsqu'ils rencontrent un électron en donnant naissance à un rayonnement g.
L'émission de particules ß+ est exceptionnelle. Elle ne concerne que quelques noyaux
artificiels.
·Les émissions de particules a + + , b - et ß+ modifient la composition du noyau.
·Les rayons gamma g sont des rayonnements électromagnétiques de grande énergie et de
faible longueur d'onde. Ces rayons gamma, contrairement aux particules alpha et bêta, ne
changent pas la composition du noyau qui les émet. Leur pouvoir de pénétration est très élevé
: ils peuvent s'enfoncer dans plus de trente centimètres de plomb. Ces rayons g sont très
dangereux pour l'homme.
Tableau récapitulatif
On rappelle que la charge élémentaire est e = 1,600217733 ´ 10 - 19 C (1).
En physique nucléaire, on utilise souvent l'unité de masse atomique 1 u = 1,6605402 ´ 10 - 27
kg (2).
Emission Nature Symbole Masse
approchée
(u)
Charge
(e)

Particule
a
noyau d'hélium
++ 4,00150 u + 2 e
Particule
b -électron 0,000549
u- e
Particule
ß+positon 0,000549
u+ e
Rayon
gamma
rayonnement
électromagnétique g0 0
Remarque : A coté de ces quatre types de rayonnements au programme il existe d'autres
transformations spontanées d'un noyau. Citons la capture électronique ou l'émission d'un ou
deux protons (émissions récemment mises en évidence avec certains noyaux artificiels).
2-2 Quelques propriétés des rayonnements radioactifs
·Les rayonnements radioactifs peuvent arracher des électrons à la couche périphérique des
édifices atomiques de la matière qu'ils traversent. Cela peut provoquer l'ionisation des
molécules du milieu cellulaire ou la rupture des liaisons moléculaires. Tous les constituants de
la cellule peuvent être touchés mais c'est une action sur la molécule d'ADN qui risque d'avoir le
plus de conséquences.
·Les êtres humains sont sans arrêt soumis à des rayonnements d'origine naturelle ou d'origine
artificielle, c'est-à-dire dus aux activités de l'homme. Il faut s'efforcer de diminuer l'exposition
aux rayonnements, mais il est impossible de la réduire à zéro.
·La radioactivité est invisible, inodore, inaudible. Elle est indécelable par nos sens. L'homme a
du mettre au point divers dispositifs pour détecter cette radioactivité. Le plus ancien de ces
dispositifs, utilisé par Becquerel, est une plaque photographique. Parmi les autres dispositifs,
on peut citer les électroscopes, les chambres d'ionisation, le compteur de Geiger-Muller, la
chambre à brouillard, les chambres à bulles, les chambres électroniques, les scintillateurs, les
semi-conducteurs, etc.
2-3 Noyaux stables. Noyaux instables
·Un noyau stable garde indéfiniment la même structure. C'est le cas, par exemple, d'un des
isotopes du carbone, l'isotope .
·Un noyau radioactif est instable. A une date inconnue, il se désintègre spontanément en un
autre noyau, en émettant des particules a ou b et, souvent, un rayonnement g. C'est le cas, par
exemple, d'un autre isotope du carbone, l'isotope qui est radioactif. Il émet une particule b -
et se transforme en un noyau d'azote :
+ (3)
Le noyau qui se désintègre, , est le noyau père. Le noyau obtenu, , est le noyau fils.
·On peut situer les noyaux stables et instables sur les diagrammes (N, Z) ci-dessous.
2-4 Diagramme (N, Z). Domaines de stabilité et d'instabilité des noyaux
Il est intéressant de représenter les noyaux atomiques dans le plan (N,Z).
Dans un premier temps limitons-nous à Z < 11.

Le diagramme complet de tous les nucléides peut être consulté dans le lexique.
Noyaux stables
Sur ce diagramme, les noyaux stables sont situés dans une zone, colorée en noir, nommée
vallée de stabilité.
Pour Z < 20, les noyaux stables sont situés au voisinage de la droite Z = N.
Pour Z > 20, les noyaux stables sont situés au dessus de cette droite Z = N. Ils contiennent
plus de neutrons que de protons.
La vallée de stabilité ne se poursuit pas au delà du bismuth (voir le diagramme complet),
puisqu'au delà de ce noyau on ne trouve aucun nucléide stable.
Noyaux instables
Les noyaux sont instables quand ils contiennent trop de protons ou trop de neutrons. Ces
noyaux radioactifs, qui ne sont pas situés dans la zone de stabilité, tendent à retrouver une
configuration stable en expulsant une particule, à une date aléatoire.
Plusieurs lois gouvernent ces réactions nucléaires spontanées. Nous en retiendrons deux :
Loi de conservation de la charge électrique : la somme des nombres de charges de la particule
émise et du noyau fils est égale au nombre de charge Z du noyau père.
Loi de conservation du nombre de nucléons : la somme des nombres de nucléons de la
particule émise et du noyau fils est égale au nombre de nucléons A du noyau père.
Radioactivité b - : Le noyau père , situé au-dessous de la zone de stabilité, possède trop de
neutrons par rapport au nombre de protons. Il se transmute en transformant un neutron en
proton, avec émission d'un électron . Le noyau fils se rapproche de la vallée de
stabilité. L'équation de cette réaction nucléaire spontanée s'écrit :
+ (4)
Le noyau ne contenant que des protons et des neutrons, l'émission
d'un électron doit être précédée de la transformation suivante :