La structure des atomes

2. La structure des atomes
2.1 Les particules subatomiques
Bien que les preuves expérimentales confirment l’existence d’atomes, il se
révéla vite que les atomes ne sont pas autant ‘indivisibles’ que leur nom
l’indique. En effet les atomes sont composés de particules encore plus
petites, les particules subatomiques. Une première preuve expérimentale
de l’existence des particules subatomiques est basée sur l’observation que
les atomes peuvent absorber la lumière et émettre des électrons (effet
photoélectrique). Comme les électrons possèdent une charge négative et que
l’atome est globalement neutre, il suit automatiquement que l’atome doit
également contenir des particules chargées positivement, les protons. Il
s’avère que les atomes ont une masse nettement plus élevée que si l’on
additionne les masses des protons et des électrons le composant. Ce défaut
de masse est dû à la présence d’une troisième particule subatomique, les
neutrons. Le tableau 2.1 résume les propriétés physiques (masse et charge)
des trois particules subatomiques ; l’électron, le proton et le neutron1.
Tab. 2.1 Propriétés physiques des particules subatomiques.
L’électron possède une charge d’une unité de charge élémentaire -1e , ce qui
correspond à 1.602 x 10-19 Coulomb en unités SI. La charge d’un proton est
de +1e. Les protons et les neutrons ont une masse à peu près identique alors
que les electrons sont environ 2000 fois plus léger.
Question 2.1:
La masse d’un atome de carbone est de 12x1.661x10-27kg. Combien
contient-il de neutrons?
Réponse 2.1: 6
2.2 L’intérieur des atomes
Jusqu’ici, nous avons vu que les atomes contiennent des électrons et des
protons, et dans la plupart des cas des neutrons, mais nous ne savons pas
1
Des trois particules subatomiques, seul l’électron est une particule élémentaire (c-à-d. qui n’est pas
formée de plus petites particules). Les protons et les neutrons sont quant à eux composés de 3
particules élémentaires, les quarks.
comment sont arrangées ces particules à l’intérieur de l’atome. Une première
expérience qui suggéra comment les atomes sont construits a été effectuée
par le groupe d’Ernest Rutherford.
Fig. 2.1 Représentation de l’expérience de Rutherford.
Rutherford et ses collaborateurs font passer un faisceau de α-particules
(particules d’hélium doublement chargées, contenant 2 protons et 2 neutrons
4-He2+) provenant d’une source de radon à travers une mince feuille d’or. Le
résultat de cette expérience était vraiment remarquable. Etonnamment, la
plupart des particules α passent la feuille de métal comme si c’était un espace
vide sans collisions et seule une particule sur 20’000 est réfléchie
significativement ! Rutherford interpréta ces données avec un modèle
atomique ou toutes les particules massives (protons et neutrons, aussi
appelés nucléons) sont concentrées dans un tout petit espace, le noyau2
(avec un rayon caractéristique de 10-15m), et où la plupart du volume
atomique est occupé par un nuage électronique étendu dont les dimensions
sont plus grandes typiquement de 4 à 5 ordres de grandeur.
Fig. 2.2 Modèle atomique d’un noyau de protons et neutrons et d’un nuage électronique
étendu. rel/rnucl ~ 104-105.
2
Bien que les protons se repoussent entre eux par forces de Coulomb, les particules du noyau sont
maintenu fermement par la force forte, une autre des quatre force fondamentales.
2.3 Nombre atomique, nombre de masse et isotopes.
Comme toutes les réactions chimiques impliquent des changements dans les
nuages électroniques entourant les noyaux, la nature chimique d’un atome
est déterminée par le nombre de ses électrons. Pour un atome neutre, le
nombre d’électrons nel est égal au nombre de protons np. Comme ce dernier
nombre ne change pas au cours d’une réaction, au contraire du nombre
d’électrons qui peut lui varier, on choisit np comme quantité caractéristique de
la nature chimique d’un atome et on l’appelle le Nombre Atomique (ou le
numéro atomique) Z. Tous 117 éléments connus à ces jours consistent en
des atomes de même nombre atomique Z. Chaque élément est symbolisé par
un symbole chimique (1 ou 2 lettres) comme par exemple H pour hydrogène
ou Na pour le sodium (pour une liste complète de tous les noms et symboles
des éléments consultez :
Liste des éléments par symbole - Wikipédia).
Dans le tableau périodique des éléments ; periodic table of elements (PSE),
tous les éléments sont classés par leur ordre croissant de nombre atomique
Z. Tout atome avec un nombre Z donné peut contenir un nombre variable de
neutrons. Le nombre total de nucléons (protons et neutrons) est appelé le
nombre de masse A. Les atomes avec le même numéro atomique Z mais un
nombre de masse A différent sont appelés isotopes (du grec ‘iso topos’ : ‘au
meme endroit’). Chaque atome avec des nombres Z et A spécifiques est un
isotope, en anglais nuclide. Pour spécifier le type d’isotope on utilise
différentes notations, soit on écrit ‘symbole chimique – A’ ou ‘AZ symbole
chimique’. Un isotope de néon avec 10 protons et 10 neutrons est ainsi décrit
par les notations Ne-20 ou 2010Ne.
Question 2.2:
Quelle est la notation pour un isotope de néon avec 11 neutrons ? Combien
de neutrons comporte un isotope de Ne-22 ?
Réponse 2.2: Ne-21, 12
Tous les isotopes, stables ou instables, ayant été observés sont listés dans
les tables des isotopes. Nous discuterons de quelques isotopes instables
dans le Chapitre 2.5 sur la radioactivité, ici nous nous intéressons aux
isotopes stables d’un élément (si vous suivez le lien donné avant sous tables
des isotopes vous trouverez tous les isotopes stables listés en rouge et si
vous suivez le lien http://www-nds.iaea.org/nudat2/index.jsp et cliquez sur la
gauche sur ‘Nuclear Wallet Cards’ vous pouvez sélectionner un isotope et
trouver son abondance naturelle). Vous noterez que les isotopes stables (en
rouge) sont tous groupés le long du milieu du graphe où le nombre de protons
est à peu près égal au nombre de neutrons, ou, en d’autres mots A ~ 2Z).
Cette zone est appelée îlot de stabilité (island of stability), et la règle A ~ 2Z
vaut surtout pour les éléments légers jusque vers Z = 20, pour Z > 20 les
isotopes stables contiennent progressivement plus de neutrons que de
protons. Il existe aussi des nombres particuliers de protons et neutrons qui
résultent en des isotopes particulièrement stables, les nombres magiques
(‘magic numbers’). Quelques éléments (Be, F, Na, Al, P, Sc, V, Mn, Co, As,
Rb, Y, Nb, Rh, I, Cs, La, Pr, Tb, Ho, Tm, Lu, Ta, Re, et Au) sont pures
isotopiquement ce qui signifie que pour ces éléments, seul un isotope stable
existe. Toutefois, pour la plupart des éléments, il existe au moins 2 ou 3
isotopes stables. Le record est détenu par l’étain pour lequel il existe 10
isotopes stables! Vous pouvez également voir que pour certains éléments il
n’existe que des isotopes instables (p.ex. pour le Tc et le Pm). On appelle ces
derniers des éléments radioactifs. Tous les éléments pour lesquels Z > 83
sont radioactifs.
Tab. 2.2 donne quelques exemples des isotopes naturels de quelques
éléments communs et de leurs abondances naturelles. L’isotope d’hydrogène
moins abondant dans la nature H-2 (aussi appelé hydrogène lourd ou D pour
‘deutérium’ du grec ’deuteros’ = deux) est utilise pour de nombreuses
expériences en chimie (notamment des expériences de résonance
magnétique nucléaire (RMN), en anglais nuclear magnetic resonance (NMR)
ou pour la spectroscopie infrarouge infrared (IR) spectroscopy). Le troisième
isotope naturel H-3 (ou T pour ‘tritium’) est radioactive est n’est donc présent
que sous forme de traces.
L’isotope le plus abondant du carbone est le C-12 (98.9%) et il existe une
petite quantité de C-13 (1.1%). Un troisième isotope naturel est le C-14, un
isotope radioactif utilisé pour dater des échantillons archéologiques.
Tab. 2.2.
Selected
isotopes of
some common
elements.
Question 2.3:
Combien de formes isotopiques stables (isotopologues) attendez-vous
pour une molécule de C2H2 ? Combien d’entre elles ont une masse
différente ?
Réponse 2.3: 9, 5
Les propriétés chimiques d’un atome sont déterminées par le nombre et les
propriétés des électrons qu’il contient. Comme les différents isotopes d’un
élément donné ont tous le même nombre de protons et d’électrons, ainsi que
la même structure électronique, les isotopes présentent un comportement
chimique identique.3 Toutefois, à cause de la différence de masse, des
isotopes différents peuvent avoir des propriétés physiques différentes, comme
par exemple leurs densités, viscosités, coefficients de diffusion, etc.
Question 2.4:
Quelle différence de densité attendez vous entre l’eau (H2O) et l’eau
lourd (D2O) ?
Réponse 2.4: En admettant l’hypothèse que l’eau et l’eau lourde ont une
structure identique, c’est-à-dire qu’un nombre identique de molécules
occupe le même volume, la différence de densité est simplement donnée
par la différence de masse (18 u et 20 u respectivement). On s’attend
donc à une différence d’environ 10 %.
La masse atomique d’un élément est donnée par la moyenne pondérée des
masses de ses isotopes naturels. Les masses atomiques et moléculaires sont
généralement données en unités de masse atomique u. 1 u est défini
comme étant 1⁄12 de la masse d’un atome de carbone-12.
1 u = 1.66054 x 10-27 kg
En biologie et en biochimie, on utilise souvent le terme ‘dalton’ avec le
symbole Da.
1 Da = 1 u
Comme les macromolécules biologiques sont grandes, on les désigne
souvent en kilodaltons, ou “kDa”.
3
L’exception principale à ceci est l’effet cinétique isotopique kinetic isotope effect: à cause de leur
plus grandes masses, des isotopes plus lourds ont tendance à réagir plus lentement que les isotopes plus
légers d’un même élément.
Les masses atomiques et moléculaires peuvent être déterminées très
précisément à l’aide d’un spectromètre de masse. Il existe différents types de
spectromètres de masse (p. ex. Spectromètres temps-de-vol, quadripôle,
quadripôle piège à ions, résonance cyclotron à transformée de Fourier). Dans
la Fig. 2.3, vous pouvez voir une représentation schématique du principe d’un
spectromètre de masse à champ local.
Isotopes of Ne
Fig. 2.3 Spectromètre de masse à champ local et spectre de masse du néon.
Dans un spectromètre à champ local, l’échantillon est bombardé avec un
canon à électrons qui arrache les électrons des atomes de l’échantillon et
génère ainsi des ions chargés positivement. Ces ions sont accélérés à travers
un champ électrique fort et sortent par une petite fente vers le vide. Le
faisceau d’ions résultant passé à travers un champ électromagnétique qui les
dévie de leur course rectiligne. Les ions de masse plus élevées sont moins
déviés que ceux de masse plus faible, ainsi, en fonction du rapport
masse/charge, les ions arrive à différentes positions sur le détecteur.
L’intensité du signal du détecteur pour chaque valeur du rapport
masse/charge est proportionnelle au nombre de particules détectées. Si tous
les ions possèdent la même charge, le spectre enregistré montre la
distribution des différentes masses présentes dans l’échantillon. Pour
exemple, vous pouvez voir sur la Fig. 2.3 le spectre de masse d’un
échantillon de néon. Les intensités relatives des trois pics reflètent
l’abondance relative des isotopes.
Question 2.5:
Combien de pics attendez vous pour un spectre de masse de HF ? Quel est
le rapport d’intensité des pics moléculaires ?
Réponse 2.5: 5 (H, D, F, HF et DF), I(HF):I(DF) = 1 : 0.00015.
2.4 La mole, la masse molaire et la molarité
Des quantités macroscopiques de matière contiennent un nombre énorme de
particules, typiquement de l’ordre de 1023. Cela n’est pas très pratique si l’on
doit reporter de tells nombres et travailler avec. Lorsque l’on décrit la matière
au niveau atomique, il est ainsi nécessaire d’introduire des quantités plus
appropriées. La première est la mole :
Definition d’une mole:
Une mole d’une substance est la quantité qui contient le nombre d’
Avogadro NA (NA = 6.02214 x 1023 mol-1) de particules.
Le nombre d’Avogadro a été détermine en premier par le conte italien
Avogadro.
Question 2.6:
Une mole d’eau contient le nombre d’Avogadro de molécules d’eau. Combien
y a-t-il de moles d’atomes d’hydrogène, d’atomes d’oxygène, d’électrons,
de protons et de neutrons ?
Réponse 2.6: 2 moles H, 1 mol O, 10 moles d’électrons, 10 moles de protons
et 8 moles de neutrons.
À partir de la mole, on peut définir de nouvelles quantités basées sur cette
dernière, comme la masse molaire d’une substance et la molarité d’une
solution. La masse molaire Mx d’une substance x est la masse d’une mole
de particules de cette substance:
Mx = mx * NA
Où mx est la masse d’une particule.
12g C
32g S
Fig. 2.5
Chaque échantillon contient environ une
mole d’atomes
64g Cu
207g Pb
201g Hg
Question 2.7:
Quelle est la masse molaire de l’eau?
Réponse 2.7:
La masse MH2O d’une mole de H2O peut être déterminée en calculant la
masse moléculaire d’une molécule d’eau mH2O et en multipliant cette
quantité par le nombre d’Avogadro :
mH2O = 2xmH + mO = 2x1u +16u = 18u
MH2O = mH2O *NA
-24
MH2O = 18*1.66054 10 g * 6.02214 1023 mol-1 = 18 g/mol
Le terme molarité M est utilise pour caractériser la concentration d’une
solution. Une solution ‘un molaire’ (1M) est une solution contenant une mole
de particules par litre :
M = n/V
Où n est le nombre de moles dans un volume donné V.
Question 2.8:
Combien de g de NaCl sont-ils nécessaires pour préparer un litre d’une
solution 2M ?
Réponse 2.8:
116.44 g.
2.5 Radioactivité
Tous les phénomènes chimiques impliquent des changements dans la
structure électronique des atomes, alors que les noyaux correspondants
restent inchangés. Ainsi, les forces qui sont importantes en chimie sont
principalement des forces électromagnétiques et l’énergie de formation ou de
dissociation de liaisons chimiques sont de l’ordre de quelques centaines de
kJ/mol.
Le chapitre 2.5 est le seul ou nous discuterons des phénomènes impliquant
au contraire des changements dans la composition des noyaux. Comme les
noyaux sont maintenus par la force forte (strong force), les énergies typiques
des réarrangements nucléaires sont environ cent fois plus élevées que celles
impliquant les réarrangements électroniques.
Dans le chapitre 2.3, nous avons vu que les atomes d’un element donné
peuvent contenir un nombre variable de neutrons. En principe, cela laisse la
possibilité d’une infinité d’isotopes pour chaque élément. Toutefois, nous
avons également vu que seul un nombre restreint de ces combinaisons
possibles résultent en des noyaux stables. Les noyaux instables se
décomposent spontanément en émettant des particules (électrons, positrons,
neutrons ou particules-α (α-particles)) ou de l’énergie sous forme de radiation
électromagnétique, des rayons gamma (γ-rays). Ce sont ces émissions que
l’on appelle radiation radioactive ou radioactivité.
Il existe également d’autres possibilités par lesquelles des noyaux instables
peuvent former des arrangements plus stables ; un noyau lourd peut par
exemple se scinder en des fragments plus petits et plus stables, ou, au
contraire deux petits noyaux instables peuvent se condenser en une unique
entité plus grande. Ces deux dernières réactions nucléaires sont appelées
fission et fusion nucléaire respectivement.
Le phénomène de radioactivité a été découvert par Henry Becquerel et
ensuite caractérisé par Pierre et Marie Curie et les trois obtinrent le prix Nobel
de physique pour ces travaux en 1903.
2.5.1 Types de radiations radioactives
Des noyaux radioactifs peuvent émettre des radiations de
différents types. Ceci fut découvert par Ernest Rutherford qui
étudia l’effet d’un champ électrique sur les radiations
nucléaires.
Fig. 2.6 Effets d’un champ électrique sur les radiations nucléaires.
D’après leur comportement dans un champ électrique, il put
distinguer 3 différents types de radiations radioactives, les
radiations α qui sont attirés vers le pole négatif du champ
électrique, les radiations β qui sont déviées vers le pole
positif et les radiations γ qui ne sont essentiellement pas
affectées par un champ électrique. Ces observations mènent à la découverte
du fait que les radiations α en l’émission de particules alpha (α-particles), que
les radiations β impliquent l’émission d’électrons de haute énergie et la
radiation γ consiste en des rayons γ électromagnétiques (γ−- rays) (voir aussi
le Chapitre 3 sur les radiations électromagnétiques). Après la découverte
initiale des trois émissions radioactives (α, β, γ), de nouveaux types de
radiations radioactives ont été caractérisés. Le tableau 2.2 résume les
différents types de radiations connues à ce jour avec quelques unes de leurs
propriétés. Ce tableau spécifie également la composition du produit de la
réaction (daughter nuclide = génération suivante) pour chaque type de
désintégration radioactive. Par exemple, un noyau N avec la composition (A,
Z) qui subit une désintégration α produit à la génération suivante un noyau (A4, Z-2)
type
particule
s
Reaction
nucleaire
Vitesse
[%c]
α
4
N(A,Z)
→
N(A-4,Z-2)
+α
10%
β
electrons
<90%
γ
photons
internal
conversion
β+
photons
N(A,Z)
→
N(A,Z+1)+e
N(A,Z)* →
N(A,Z)
N(A,Z)* →
N(A,Z)+ + e
N(A,Z)
→
N(A,Z-1)+
β+
N(A,Z)
→
N(A,Z-1)
N(A,Z)
→
N(A-1,Z1)+p
N(A,Z)
→
N(A-1,Z)
+n, fusion,
fission
He2+
positrons
e capture
p
protons
n
neutrons
100%
> 90%
Degré
de
penetration
Bas (force
relative 1),
Mais
beaucoup
de dégats
Moyen
(100)
Élevé
(10000)
Moyen
Necessary
protection
Exemple
papier,
peau
226
3mm
aluminium
béton,
plomb
3
Ra
→
Rn + α
222
H → 3He +
e
60
Co*
→
60
Co + γ
24
Na*
→
24
Na+
22
Na → 22Ne
+ β+
83
Rb → 83Kr
10%
Bas
moyen
<10%
Très élevé
à
53
Co →52Fe
+p
137
I →
136
I +
n
Tab. 2.2 Différents types de radiations radioactives et leur propriétés (c est la vitesse de la
lumière dans le vide c = 3 x 108m/s).
Pour une désintégration β, on peut imaginer qu’un neutron du noyau se
décompose en un proton et un électron qui est éjecté. C’est pourquoi ce type
de radiation mène à un produit avec (A, Z+1). Les radiations γ et les
conversions internes impliquent l’émission d’une radiation électromagnétique
et (A, Z) reste inchangé. L’émission de positrons et la capture électronique
donnent toutes deux un produit (A, Z-1). L’émission de protons donne quant à
elle des noyaux (A-1, Z-1) et l’émission de neutrons génère elles des produits
(A-1, Z). L’émission de neutrons peut également être observée durant la
fusion ou la fission des noyaux (the fusion or fission of nuclei).
Question 2.9:
211
Po effectue une désintégration α. Quel est le produit de la
désintégration ?
24
Na se désintègre en 24Mg. Quel type de désintégration radioactive est
impliqué ?
Réponse 2.9:
207
Pb. Désintégration β.
Z (number of protons)
2.5.2 Table des isotopes
La table des isotopes (tables of isotopes ou nuclide tables) que nous avons
utilisée dans le chapitre 2.3 pour chercher les isotopes stables d’un certain
élément nous donne aussi des informations sur le type de radiations
radioactives et sur les propriétés de désintégration des isotopes instables.
La Figure 2.7 nous donne un aperçu des désintégrations radioactives
préférées comme une fonction du nombre de protons et de neutrons de
chaque noyau.
N (number of neutrons)
Fig. 2.7 Types de désintégrations radioactives préférées.
Noir : noyaux stables ; cyan : capture électronique et β+ ; magenta : β ; jaune : α ; orange :
émission de proton ; violet : émission de neutron; vert : fission spontanée ; gris : inconnue.
(tiré de http://www-nds.iaea.org/nudat2/index.jsp).
Comme discuté précédemment, les noyaux stables (en noir) sont placés à
peu près sur la diagonale, que l’on appelle îlot de stabilité (island of stability).
En haut à gauche de l’îlot de stabilité, les noyaux préfèrent émission de
positrons ou la capture électronique (bleu) (pour certains noyaux avec Z >> N
on a aussi émission de protons (orange)), alors que sur la partie en bas à
droite de la diagonale, la désintégration β est préférée (magenta). La
désintégration α (jaune) est observée pour quelques éléments légers, pour
les cas où (A-4, Z-2) leur permet d’atteindre l’îlot de stabilité. Comme
mentionné précédemment, à partir de Z>83, il n’y a pas d’isotpes stables pour
aucun des éléments. Les noyaux les plus lourds se désintègre de préférence
par α (jaune) ou par fission spontanée (vert).
2.5.3 Loi de désintégration radioactive et temps de vie caractéristiques
Outre le type de radiation, une autre quantité est importante à définir pour
caractériser une substance radioactive, l’Activité A(t) de l’échantillon.
L’activité nous dit combien de noyaux radioactifs N se désintègrent par
seconde, cela signifie que A(t) mesure la vitesse de désintégration :
A(t ) =
dN (t )
dt
La désintégration radioactive est un processus aléatoire, ce qui veut dire que
l’on ne peut jamais savoir quand une disintégration isolée à lieu, mais chaque
atome radioactif de l’échantillon ont une probabilité de désintégration
équivalente. Ainsi, dans un échantillon d’un radio-isotope particulier, le
nombre de désintégrations –dN(t) attendus dans un petit intervalle de temps
dt est proportionnel au nombre d’atomes présents dans l’échantillon.
−dN (t )
= kN (t )
dt
Où k est la constante de proportionnalité (constante de désintégration), qui
est une quantité caractéristique pour chaque radio-isotope. Des isotopes
radioactifs donnés se désintègrent à différentes vitesses, chacun ayant sa
propre constante de désintégration k. Le signe négatif indique que N décroît à
chaque désintégration.
L’équation précédente est une équation différentielle du premier ordre. On
peut également écrire cette équation sous la forme :
1
dN (t ) = − kdt
N (t )
Maintenant on intègre des deux côtés :
1
∫ N (t ) dN (t ) = − k ∫ dt
Ce qui donne
ln (N (t ) ) + C = −kt
Où C est une constante d’intégration. Si on prend l’exponentielle des deux
cotés de l’équation, on obtient :
N (t )e C = e − kt
ou
N (t ) = e − C e − kt
à t = 0, N(t) = N0 et l’équation précédent devient :
N (t = 0) = N 0 = e − C
Ce qui détermine la constante d’intégration C. La loi de désintégration finale
est donc :
N (t ) = N 0 e − kt
où N0 est le nombre de noyaux radioactifs au temps t = 0. Figure 2.8 est une
représentation graphique de cette fonction exponentielle.
Question 2.10:
Vérifiez que cette fonction satisfait l’équation
différentielle vue précédemment.
En plus de la constante de désintégration, une
désintégration radioactive est parfois décrite par son
temps de vie caractéristique τ, qui est relié à la
constante de désintégration par
τ = 1/ k
Fig. 2.8 Désintégration radioactive exponentielle.
Un paramètre utilisé plus couramment est le temps de demi-vie t1/2. Le
temps de demi vie est le temps nécessaire pour que la moitié de l’échantillon
d’atomes radioactifs se soient désintégrés. Le temps de demi-vie est relié à
la constante de désintégration par
N 0 / 2 = N 0 e − kt
1/ 2
ln(1 / 2) = −kt1 / 2
t1 / 2 = ln(2) / k
Tout comme la constante de désintégration k, le temps de demi-vie est
toujours le même pour un radio-isotope donné. Les temps de demi-vie de
différents noyaux radioactifs peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur,
de 1024 ans pour des noyaux très stables à 10-6 secondes pour ceux très
instables. Table 2.3 montre quelques exemples de temps de demi-vie
caractéristiques.
Tab. 2.3 Temps de demi-vie de différents radio-isotopes.
Vous pouvez trouver plus de temps de demi-vie sur le lien
http://ie.lbl.gov/education/isotopes.htm. En cliquant sur un élément, vous
trouverez les différents radio-isotopes avec leur mode de désintégration et
leur temps de demi-vie caractéristiques.
2.5.4 Mesure de l’activité et unités
Un des effets principaux des radiations radioactives est le fait que leur
énergie élevée est suffisante pour arracher des électrons et ainsi générer des
ions (c’est pourquoi la radiation radioactive est souvent appelée ‘radiation
ionisante’ ‘ionizing radiation’). Cet effet peut être utilisé pour mesurer la
présence et l’activité d’une source radioactive avec l’aide d’un compteur de
scintillation (spécialement pour les rayons γ) ou un compteur Geiger (pour
les désintégrations α et β).
Un compteur de scintillation (scintillation counter) contient des matériaux
(phosphore, liquides aromatiques) qui sont fluorescents (ce qui signifie qu’ils
émettent de la lumière) lorsqu’ils sont frappés par une radiation ionisante. La
lumière est mesurée par un photomultiplicateur sensible connecté à un
amplificateur électronique.
Fig. 2.9 Compteur Geiger.
Le compteur Geiger (Geiger counters) consiste en un tube rempli de gaz
inerte conduisant l’électricité lorsque des particules d’une émission
radioactive ionise le gaz. L’instrument amplifie cette conduction et reporte
l’activité par la mesure d’un courant (une aiguille) ou des ‘clicks’ audibles.
Il existe beaucoup d’unités différentes pour mesurer la radioactivité :
Unités pour l’activité
L’unité SI pour mesurer la radioactivité est le becquerel (Bq). 1Bq
correspond à une activité de 1 désintégration par seconde.
1Bq = 1 désintégration/s
Comme les échantillons macroscopiques de matériau radioactif contiennent
beaucoup d’atomes, un Becquerel est un très faible niveau d’activité. C’est
pour cette raison que l’activité est également souvent mesurée dans l’unité
non SI curie (Ci), qui fût définie au départ comme étant la radioactivité d’un
gramme de radium pure :
1 Ci = 3.7 x 1010 Bq = 37 GBq
Unités pour les doses absorbées
La dose absorbée Dabs est une mesure de l’énergie déposée par unité de
masse d’un milieu par une radiation radioactive. Elle est mesurée en gray
(Gy) ou dose de radiation absorbée (rad).
1 Gy = 1J/kg = 100 rad
Unité pour la dose équivalente
La dose équivalente Deqv tente de mesurer l’effet relatif que différentes
radiations ont sur les tissus biologiques. La dose équivalente est calculée en
multipliant la dose absorbée définie au dessus par un facteur qualitatif Q :
Deqv = Q • Dabs
Q = 1 pour les radiations β et γ, Q = 20 pour les radiations α et les neutrons
rapides. La dose équivalente est mesurée en roentgen equivalent man
(rem) ou sieverts (Sv).
1 Sv = 100 rem
2.5.5 Application de radio-isotopes
Une quantité de radio-isotopes sont utilisés pour des applications pratiques
en physique, chimie, biologie et médecine.
Datation au carbone radioactif
L’isotope radioactif naturel du carbone (14C, β-émetteur, t1/2 = 5730 ans) est
utilisé pour la datation d’échantillons archéologiques organiques. Durant leur
existence, toutes les plantes fixent le dioxyde de carbone à travers la
photosynthèse et les animaux s’en nourrissent, si bien que tous les êtres
vivants échangent constamment du carbone avec leur environnement. Une
toute petite partie de ce carbone naturel contient l’isotope radioactif 14C (à peu
près un 14C pour 1012 12C). Lorsque une forme de vie meurt, l’échange de
carbone cesse et la quantité de 14C contenue dans l’organisme décroît
lentement par désintégration radioactive en se transformant en l’isotope
stable d’azote 14N.
14
C → 14N + 0β
En mesurant la radioactivité d’un échantillon de carbone ancien, il est alors
possible de déterminer le reste de 14C contenu et estimer depuis combien de
temps l’organisme vivant doit avoir décédé :
N (t ) = N t =0 e
−
ln( 2 )
t
t1 / 2
⎛ N ⎞ t
t = ln⎜ t =0 ⎟ 1 / 2
⎜ N (t ) ⎟ ln(2)
⎝
⎠
t = 0: moment de la mort de l’organisme; t: moment présent.
Question 2.11:
Un échantillon de carbone d’un masse de 250 mg de bois trouvé dans une
tombe en Israël a effectué 2480 désintégrations de C-14 en 20 h.
Estimez le temps depuis la mort de l’échantillon sachant que l’activité d’un
échantillon moderne de 1 g de carbone a une activité de 18'400
désintégrations en 20 h.
Réponse 2.11:
5.1 x 103y.
Traceurs radioactifs et radio imagerie
En remplaçant les atomes d’une molécule avec des analogues radioactifs, il
est possible de suivre la position et le déplacement de ces substances
marquées radioactivement. Le marquage avec des isotopes radioactifs est
également utilisé pour déterminer la vitesse d’une réaction chimique. Le 14C
peut être utilisé pour marquer le glucose. 13N, 32P et 40K sont utilisés pour
marquer les fertilisants et suivre la croissance des plantes et la dissémination
des éléments dans l’environnement. Aussi, d’autres utilisations d’isotopes
radioactifs sont possibles, incluant l’utilisation de 243Am dans les détecteurs
de fume et l’emploi de radiations radioactives pour stériliser la nourriture.
Des traceurs radioactifs sont aussi utilisés à des fins d’imagerie en médecine.
24
Na est utilisé pour visualiser le flux sanguine, 87Sr pour étudier la croissance
osseuse. L’isotope radioactif le plus utilisé dans ce but est le 99mTc qui est
déjà disponible comme déchet des réacteurs nucléaires. La tomographie à
emission de positrons (Positron emission tomography PET) basée sur
l’émetteur de positrons 18F (t1/2 = 109.77 min) est utilisée pour visualiser les
tissus humain d’une manière non invasive (p.ex. pour visualiser la fonction
cérébrale).
18
F → 18O + p
Les positrons sont annihilés lorsqu’ils rencontrent des électrons et sont
convertis en rayons gamma qui peuvent être détectés par un scanner. Le
glucose marqué avec 18F peut être utilisé pour localiser la présence de
tumeurs (comme les cellules cancéreuses se divisent rapidement, elles ont
besoin de beaucoup de glucose pour satisfaire leur métabolisme, ainsi le
glucose marqué avec 18F-labeled se trouve préférentiellement dans les
cellules tumorales).
Radiothérapie
Alors que la radio imagerie est utilisée pour diagnostiquer la localisation de
tumeurs, la radiothérapie peut être utilisée pour les détruire. Dans la boron
neutron capture therapy, l’isotope stable 10B est injecté et bombardé avec des
neutrons ce qui implique une production de particules α qui endommagent
l’ADN des cellules voisines et qui entraînent ainsi leur destruction. D’autres
isotopes radioactifs ayant des applications thérapeutiques sont 131I pour le
traitement du cancer de la thyroïde, ainsi que 177Lu et 90Y pour le cancer
pancréatique.