Physique nucléaire
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Eléments de physique nucléaire: généralités utiles pour comprendre (ultérieurement) - la radioactivité - les effets des rayonnements ionisants et la radio-protection - l'utilisation des radio-isotopes en médecine Constituants du noyau: protons (p+: charge électrique positive) neutrons (n: pas chargé) Description du noyau atomique X: AX Z où Z est le numéro atomique = nombre de protons A est le nombre de masse = nombre de nucléons (n + p+) Z définit l'élément chimique (nombre d'e- de l'atome) Pour un même Z, A définit l'isotope d'un élément Exemple: 12C , 14C ou 12C et 14C (car Z=6 correspond à C) 6 6 Au sein du noyau: interactions électriques répulsives entre p+ interactions nucléaires fortes (cohésion) entre nucléons Energie de liaison entre nucléons accompagnée d'une perte de masse: relation masse énergie: E = mc² (1 uma 1.66 10-27 kg 1.49 10-10 J 931 MeV) Le défaut de masse mesure l'énergie de liaison EL (92.1 MeV pour le 12C ) EL/A est l'énergie nécessaire (en moyenne) pour extraire un nucléon du noyau (7.7 MeV pour le 12C) Transformation d'un noyau accompagnée d'un rayonnement. Types de rayonnement ionisant: observations Transformation d'un noyau accompagnée d'un rayonnement. Types de rayonnement ionisant: observations Transformation d'un noyau accompagnée d'un rayonnement. Types de rayonnement ionisant: observations Types de rayonnement ionisant Pouvoir de pénétration (interactions avec la matière): Types de rayonnement ionisant: description = 4He : très peu pénétrant, grande Efficacité Biologique Relative EBR = 10 - 20 AX A4Y 4He énergie (m m m )c² x y Z Z2 2 Exemple: 238U 234Th 4He 4.3 MeV (fission nucléaire) 92 90 2 ou + = e+ posit(r)on - = e- : peu pénétrant, EBR = 1 1n 1p 0e e 0 1 1 (interaction faible) 1p 1n 0e e 1 0 1 Un neutrino () ne subit pas les interactions forte ou électromagnétique. Exemple: 3H 3He 0e e 1 2 1 18O 0e F Exemple: 18 e 9 8 1 Tomographie par émission Marquage et détection radio-isotopiques de positrons (PET scan) (dosage par RIA: radio-immuno-assay) = photon (haute énergie E=hf, h=6.6 10-34 Js): très pénétrant, EBR 1 produit par désexcitation d'un noyau Exemple: 1n 238U 239U* 239U 0 92 92 92 n = neutron: très pénétrant, EBR = 2 – 20 (effets indirects) 1 235 236 141 92 1 Exemple: 0n 92U 92U 56Ba 36Kr 3 0n Réaction de fission nucléaire en chaîne, donc explosive (bombe)… sauf si contrôlée par la capture de neutrons (réacteur nucléaire) Transformation d'un noyau: – par fission: désintégration (spontanée ou provoquée) d'un noyau lourd en éléments plus légers (exemples ci-dessus) – par fusion: formation d'un noyau lourd par combinaison de noyaux légers Exemples de réactions de fusion nucléaire Rapprocher les noyaux pour permettre l'interaction nécessite beaucoup d'énergie!!! Etoile (soleil) : gravitation 1H 1H 2H 0e e 1 1 1 1 2H 1H 3He 1 1 2 3He 3He 4He 2 1H 2 2 2 1 Bilan: 4 p 2 e 2 e énergie transportée Annihilation e- 2 e de paires e+/e- Réacteur: plasma (haute température) confiné par un champ magnétique Interactions des photons avec la matière Diffusion (ou effet) Compton Le photon incident arrache un électron faiblement lié. Le photon perd donc une partie de son énergie tout en étant dévié. électron Compton photon incident angle de déflection photon dévié (diffusé) Interactions des photons avec la matière Effet photo-électrique Le photon incident arrache un électron lié (couche interne K ou L). Le photon cède toute son énergie à l’électron. Interactions des photons avec la matière Cinétique de désintégration (radioactivité) Exemple: désintégration du tritium 3H 3He 0e e 1 1 2 C'est un processus aléatoire dans le temps ou stochastique: un atome donné a une certaine probabilité de se désintégrer ( = subir une transition) après un certain temps. Autrement dit, chaque individu (atome) possède la même probabilité de transition par unité de temps, mais les transitions se feront à des moments différents et imprévisibles. Question: si, à l'instant initial, la population contient N0 individus, combien d'individus N(t) subsisteront au temps t (courbe de survie)?
