Atomes et radioactivité

Atomes et relations radioactives

La relation entre les atomes et la radioactivité est décrite dans cette section. La radioactivité est essentiellement une propriété de certains atomes dont les noyaux ne sont pas stables. Pour comprendre les relations entre les atomes radioactifs et la radioactivité, nous devons savoir comment mesurer les niveaux de radiation émis par les matériaux radioactifs. Une fois que nous disposons d'une technique de mesure appropriée, il devient possible d'établir des relations et des lois entre les éléments radioactifs et les radiations qu'ils émettent.

Mesurer la radioactivité

Nous pouvons mesurer l'activité des sources radioactives à l'aide d'un tube de Geiger-Muller relié à un compteur. La radioactivité est mesurée à l'aide du taux de comptage, c'est-à-dire le nombre de désintégrations détectées par seconde. L'unité standard d'activité est le becquerel (Bq). Ainsi, une source qui a 10 désintégrations par seconde a un taux de comptage de 10 Bq. Lorsqu'un isotope radioactif se désintègre, il émet un produit radioactif, généralement une particule alpha, une particule bêta ou une onde gamma. Chaque fois qu'un de ces produits de désintégration radioactive pénètre dans le tube de Geiger-Muller, le compteur émet un clic et le taux de comptage est affiché à l'opérateur.

Isotopes radioactifs

Les différents noyaux radioactifs se désintègrent à des vitesses différentes, même entre les différents isotopes d'un même élément. Un isotope peut même être stable, alors qu'un autre isotope du même élément est radioactif. Les éléments plus massifs ont tendance à être plus radioactifs parce que leurs noyaux plus gros sont plus susceptibles d' avoir un excès d'énergie interne instable.

Atomes et radioactivité : Demi-vie

Un concept important pour comprendre la désintégration radioactive estlademi-vie d'unisotope radioactif . La demi-vie d'un isotope radioactif est définie comme le temps nécessaire à la moitié la désintégration des isotopes présents dans un échantillon. Lademi-vie peut également être décrite comme le temps nécessaire pour que le taux de comptage de l'échantillon soit ramené à half son niveau initial. Tu te demandes peut-être pourquoi il est important d'apprendre la demi-vie. La réponse est que la désintégration radioactive est aléatoire.

Imagine que tu étudies un seul noyau instable de bismuth-210. Il serait impossible de déterminer quand il se désintégrera en raison de la nature aléatoire de la désintégration radioactive. Cependant, si tu disposais d'un bloc d'un kilogramme de matière radioactive contenant environ ¹⁰²⁵ atomes de bismuth-210, tu pourrais être presque certain que certains des isotopes radioactifs se désintègrent. S'il faut cinq jours pour que le taux de comptage de l'échantillon soit divisé par deux, alors tu sais que la demi-vie du bismuth-210 est de cinq jours.

Décroissance d'une substance radioactive, commons.wikimedia

La structure d'un atome et la radioactivité

C'est en fait grâce à la radioactivité que nous comprenons la structure sous-jacente de l 'atome. Après la découverte de l'électron en 1897 par J. J. Thomson, la théorie la plus populaire sur la structure de l'atome était le modèle du plum pudding ou modèle de Thomson. Thomson a proposé que les "prunes" (électrons) chargées négativement soient entourées d'un "pudding" chargé positivement.

Diffusion de particules alpha si le modèle Plum Pudding était correct, comparée aux résultats réels, commons.wikimedia

En 1905, Ernst Rutherford a testé le modèle du plum pudding en dirigeant un faisceau de particules alpha sur une bande de papier d'or. Les particules alpha sont une forme de rayonnement avec une charge positive importante. Il s'attendait à ce que les particules alpha traversent l'or sans dévier, car le "pudding" chargé positivement devait être uniformément réparti. Cependant, un très petit nombre de particules alpha ont été déviées, parfois même complètement réfléchies.

Il a proposé que l'atome soit en fait constitué d'un petit noyau compact et chargé positivement, entouré d'un nuage d'électrons, ce qu'on appelle le modèle de Rutherford. La grande majorité des particules alpha ont traversé l'atome sans être déviées, ce qui prouve à quel point le noyau est petit par rapport à l'atome dans son ensemble.

Les effets de la radioactivité sur un atome

Un atome radioactif sera modifié après avoir subi une désintégration radioactive, ce qui peut se produire de plusieurs manières différentes. La désintégration radioactive peut se produire lorsqu'un noyau instable émet des radiations. Les formes de désintégration les plus courantes sont les particules alpha, les particules bêta, les rayons gamma ou les émissions de neutrons. Chaque type de rayonnement a des propriétés et des caractéristiques différentes.

Atomes et radioactivité : Rayonnement alpha

Lorsque le noyau d'un atome a trop peu de neutrons par rapport aux protons, il émet une particule alpha 'α', qui est constituée de deux protons et de deux neutrons. Cela permet de rétablir l'équilibre au sein du noyau et de réduire le rapport entre les protons et les neutrons.

Un noyau d'américium-241 se désintègre en neptunium-237 et émet une particule alpha, commons.wikimedia

Une particule alpha${}_2{}^4\alpha$est exactement la même chose qu'un noyau d'hélium${}_2{}^{4}He$. Par conséquent, la désintégration alpha fait perdre au noyau d'un atome un nombre de masse de 4 et un nombre de protons de 2. Cela est utile lorsque l'on utilise les équations nucléaires, car nous sommes en mesure de déterminer en quel élément le noyau va se désintégrer.

Atomes et radioactivité : Particule bêta

A l'opposé de la désintégration alpha, si un noyau instable possède trop de neutrons par rapport aux protons, il émettra une particule bêta 'β'. Un neutron à l'intérieur du noyau se transformera spontanément en proton, éjectant au passage un électron à grande vitesse. La particule bêta n'est littéralement qu'un électron.

Un noyau de césium 137 se désintègre en baryum 137 et émet une particule bêta, commons.wikimedia

La désintégration bêta fait qu'un atome se transforme en un élément différent. Rappelle-toi qu'un neutron a été transformé en proton. Le nombre de protons du noyau augmente donc d'une unité, mais le nombre de masse reste inchangé, car un électron n'a pratiquement pas de masse. Une particule bêta peut s'écrire${}_{-1}{}^0\beta$ou${}_{-1}{}^{0}e$dans le contexte des équations nucléaires. L'équation nucléaire de la désintégration bêta du Césium-137 en Baryum-137 illustrée dans l'exemple ci-dessus est la suivante${}_{55}{}^{137}Cs-{}_{-1}{}^{0}e={}_{56}{}^{137}Ba$.

Atomes et radioactivité : Rayon gamma

Après une désintégration alpha ou bêta, un noyau atomique aura parfois encore un excès d'énergie interne. Le noyau émettra cette énergie sous la forme d'un rayon gamma 'γ', qui est une onde électromagnétique de haute énergie.

Noyau radioactif se désintégrant en émettant un rayon gamma, commons.wikimedia.

Contrairement aux rayonnements alpha ou bêta, les rayons gamma sont des ondes et non des particules. Par conséquent, lors de l'émission d'un rayon gamma, le nombre de protons et le nombre de masse restent totalement inchangés. Ils s'écrivent comme suit${}_0{}^0\gamma$dans une équation nucléaire. Le noyau perd un peu d'énergie, mais la structure atomique n'est pas modifiée.

Atomes et radioactivité : Émission de neutrons

Certains isotopes radioactifs sont capables de se désintégrer en émettant des neutrons 'η' à grande vitesse. On l'observe le plus souvent lors de la fission nucléaire (qui est une forme de désintégration radioactive) d'isotopes radioactifs de masse élevée dont le rapport neutrons/protons est important. Selon l'isotope en cours de désintégration, un ou plusieurs neutrons peuvent être émis en même temps.

Émission de neutrons lors de la fission d'un noyau atomique, flickr

Lorsqu'un noyau émet un neutron, son nombre de masse diminue de 1, mais son nombre de protons reste le même. Cela s'écrit généralement comme suit${}_0{}^1\eta$. L'élément désigné d'un atome ne dépend que du nombre de protons et non du nombre de masse. Cela signifie que l'émission d'un neutron ne changera jamais à elle seule l'élément d'un atome, mais qu'elle le transformera en un isotope différent.