Radiochimie-Théorie

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La radiochimie – Théorie
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1. Rappel
 L'élément est l'ensemble des atomes qui possèdent le même Z (même nombre de
protons et même nombre d'électrons).
Exemple :
Fe
26
: Tous les atomes ayant 26 protons sont des atomes de fer.
 Les isotopes d'un élément sont des atomes ayant le même Z, mais avec un A
différent.
Exemple :
Fe
54
26
Fe
56
26
Fe
57
26
Fe
58
26
26 p 26 p 26 p 26 p
26 é 26 é 26 é 26 é
28 n 30 n 31 n 32 n
Les isotopes d'un élément ont les mêmes propriétés chimiques (même Z donc même
nombre et même répartition de é externes, mais ils diffèrent par leurs propriétés
NUCLEAIRES.
Exemple :
I
127
53
= stable et
I
131
53
= radioactif
2. La radioactivité
2.1 Bref historique
1895 Roentgen observa un type de rayons impossibles à faire dévier par un
aimant, il les appela RAYONS X.
1896 Becquerel constata un rayonnement inconnu émis par un sel d'uranium.
1898 Pierre et Marie Curie découvrent le polonium et le radium contenus dans le
minerai d'uranium - la pechblende.
1899 Pierre et Marie Curie découvrent la radioactivité naturelle.
1911 Identification des rayons α et β par Rutherford.
1919 Réalisation de la 1
ère
transmutation artificielle par Rutherford.
1932 Identification du neutron par Chadwick.
1934 Création d'isotopes radioactifs artificiels par irradiation, par Joliot-Curie et
son équipe.
1939 Découverte de la 1
ère
fission nucléaire car Hahn et Strassmann.
2.XII.1942 Réalisation de la 1
ère
fission expérimentale dans un réacteur par Fermi.

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1943 Production du 1
er
microgramme de Plutonium-239 au laboratoire d'Cak -
Redge.
16.VII1945 1
ère
explosion expérimentale d'une bombe au
239
Pu à Alamagardo.
6.VIII.1945 Lancement de la bombe A (
235
U ) sur Hiroshima (Japon).
9.VIII.1945 Lancement de la bombe au
239
Pu sur Nagasaki (Japon).
1.III et 6.V. 1954 1
ères
explosions expérimentales de bombes H (au tritium) à l'archipel
de Bikini.
2.2 Définition
La radioactivité est la propriété que possèdent les noyaux de certains éléments de se
désintégrer spontanément en émettant des radiations invisibles.
Il convient de distinguer la radioactivité naturelle, celle qui existe dans la nature, et la
radioactivité artificielle, celle que l'homme crée.
2.3 La radioactivité naturelle
En 1896, Henri Becquerel, ayant déposé par inadvertance un sel d'uranium sur une
plaque photographique enveloppée de plusieurs couches de papier noir, s'aperçut que cet
uranium avait impressionné la plaque : un rayonnement jusqu'alors inconnu, était émis par
l'uranium.
Marie Curie se mit à étudier ce rayonnement et à rechercher systématiquement les corps
susceptibles de tels rayonnements. Elle put, avec Pierre Curie en 1890, extraire du
minerai d'uranium deux autres corps radioactifs : le radium et le polonium. Puis, il est
apparu qu'un grand nombre d'éléments étaient doués de radioactivité : thorium, actinium
etc.
Les rayonnements émis étaient spontanés et remarquablement constants. Leur rythme
d'émission et leur pouvoir pénétrant étaient indépendants du composé chimique dans
lequel l'atome était lié, des conditions physiques de température et de pression.
2.4 La nature du rayonnement
2.4.1 Les différents types de rayonnement
En faisant passer les radiations émises d'une source radioactive par un trou pratiqué dans
une plaque de plomb servant de collimateur, on a un mince faisceau qui, traversant un
champ magnétique, se sépare en trois composants venant impressionner une plaque
photographique. Ce sont les rayons α chargés positivement, les rayons β chargés
négativement ou positivement, et les rayons γ neutres.

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i) Les particules α sont déviées par les champs magnétiques et portent une charge
positive de +2. Elles sont rapidement arrêtées par des couches fines de matière. Les
expériences montrèrent qu'il s'agissait de noyaux d'hélium, groupement particulièrement
stable, projetés hors des noyaux lourds avec des vitesses comprises entre 14000 et
25000 km/s.
ii) Les particules β sont déviées par les champs magnétiques et portent une charge
négative de -1 ou +1. En fait, les particules ne sont autres que les électrons (-1) ou
positrons (+1) dont l'origine est nucléaire. Les rayons β sont plus rapides et plus
pénétrants que les α, ils se propagent donc plus facilement à travers la matière. Leurs
vitesses sont comprises entre 40% et 60% de celle de la lumière.
iii) Les rayons γ n'interagissent pas avec les champs magnétiques et ne possèdent pas
de charge. Ils sont constitués par des ondes électromagnétiques de même nature
que les rayons lumineux ou les rayons X. Ils sont très pénétrants et dangereux.
2.4.2 Les différents types de désintégration
Les noyaux dont les rayonnements α et β sont issus, subissent des changements
profonds. Il s'agit d'une réelle transformation d'un noyau en un autre noyau, phénomène
totalement différent des transformations chimiques qui laissent inaltérés les noyaux des
atomes.
La radioactivité avec émission α est appelée désintégration α (transmutation α), celle avec
émission β s'appelle désintégration β (transmutation β).
2.4.2.1 Désintégration α
L'émission α est l'expulsion par un noyau d'une particule contenant 2 protons et 2
neutrons : c'est-à-dire d'un noyau d'hélium,
He
4
2
.
Le noyau résultant a un nombre de masse inférieur de 4 unités et un numéro atomique
inférieur de deux unités. A - 4 et Z - 2.
Exemple : Le radium
Ra
226
88
He
4
2
+
Ra
222
86
Note : Ces radiations peuvent être arrêtées par la peau ou une feuille de papier, mais sont
très dangereuses si elles sont inhalées.
2.4.2.2 Désintégration β−
L'émission β − est la transformation à l'intérieur du noyau d'un neutron en un proton et un
électron négatif. Elle est surtout fréquente pour les isotopes qui ont un excès de neutrons
par rapport au nombre de protons.
n
1
0
p
1
1
+
e
0
1−
+ ν
ν : particule appelée neutrino sans charge et de masse insignifiante (souvent négligée).
Le nombre de masse du nouvel atome ne varie pas, mais le numéro atomique augmente
d'une unité.
Exemple : Le thorium
Th
234
90
Pa
234
91
+ β −

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2.4.2.3 Désintégration β+
L'émission β
+
est la transformation à l'intérieur du noyau d'un proton en un neutron et un
positron.
p
1
1
n
1
0
+
e
0
1
+ ν
Exemple : L'azote
N
13
7
N
13
6
+ β +
Note : Ces radiations peuvent être arrêtées par une feuille d'aluminium.
2.4.2.4 Désintégration γ
L'émission γ est l'émission d'une onde électromagnétique énergétique très dangereuse.
Cependant, quelques cm de plomb peuvent l'arrêter.
Exemple : Le cobalt
Co
60
27
Co
60
27
+ γ
2.4.3 Familles radioactives
Il arrive très souvent que la désintégration d'un noyau instable produise un autre noyau
instable qui à son tour se désintégrera par la suite. Ainsi, plusieurs noyaux instables jouent
le rôle d'intermédiaire avant d'arriver finalement à un noyau stable. L'ensemble des
noyaux instables qui proviennent tous d'un même noyau instable initial s'appelle une
famille radioactive.
La plupart des noyaux radioactifs qui existent dans la nature appartiennent à trois grandes
familles radioactives.
Famille radioactive noyau initial instable noyau final stable
Thorium
Th
232
90
Pb
208
82
Uranium - Radium
U
238
92
Pb
206
82
Uranium - Actinium
U
235
92
Pb
207
82
Exemple : La famille Uranium – Radium
U
238
92
α
β
−
β
−
α
4.5
.
10
9
ans 24.1 jours 6 heures 2
.
10
5
ans 8
.
10
4
ans
α
......
226
88
α α α β
−
1620 ans 3.8 jours 3 minutes 26.8 minutes

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α
β
−
(A)
(B)
α
β
−
β
−
β
−
19.7 minutes (A) 1.4 minutes
(B) 1.6x10
-4
secondes
19 ans 5 jours
…………
Pb
206
82
138 jours stable
2.5 La loi de la désintégration radioactive
Les observations montrent qu'avec le temps la radioactivité d'une matière diminue. Pour
certains radio-isotopes cette diminution est très rapide, pour d'autres, il faut attendre
plusieurs siècles. Il est impossible de prédire avec certitude l'instant auquel un noyau
instable se désintégrera, cette désintégration se faisant au hasard.
Tout ce que nous pouvons dire, c'est que la probabilité P qu'un noyau se désintègre dans
un intervalle de temps dt est directement proportionnelle à cet intervalle :
P ÷ dt ou P = λ
.
dt
λ = constante de désintégration, elle caractérise un radio-isotope
Si on multiplie cette probabilité de désintégration par le nombre N de noyaux susceptibles
de se désintégrer au temps t, nous obtenons le nombre dN de désintégrations au temps t
durant l'intervalle de temps dt : dN =
− λ
.
N
.
dt
Le signe - signifie qu'il y a une diminution du nombre d'atomes, on intègre :
N = K
.
e-
λ
.
t
Au temps t = 0, K = N
0
= nombre de particules initiales. La loi de désintégration est :
N = N
0.
e-
λ
.
t
N = nombre d'atomes restants au temps t λ = constante de désintégration (1/s)
N
0
= nombre d'atomes initiaux t = temps (s)
2.5.1 La période des isotopes radioactifs
La période Τ d'un isotope radioactif est définie comme étant le temps nécessaire pour que
la moitié des atomes radioactifs initialement présents se soient transformés en atomes
stables. Elle est indépendante de la température, de la pression, des transformations
chimiques et de l'influence des champs gravitationnels, électriques et magnétiques.
La période peut être calculée à partir de la constante de désintégration par la relation
suivante :
Τ =
λ
)2ln(