Nature aléatoire de la désintégration radioactive

Définition de la nature aléatoire de la désintégration radioactive

La désintégration radioactive est le processus par lequel les atomes émettent un rayonnement pour atteindre une autre configuration. Ce rayonnement peut se présenter sous la forme de particules alpha, de particules bêta, de rayons gamma ou de particules de neutrons. Lors de l'émission d'un rayonnement, un atome se modifie selon les règles des équations nucléaires. Ce qui reste après l'émission aura un niveau de radioactivité différent.

Les atomes émettent des radiations s'ils sont intrinsèquement instables : pour tout isotope spécifique à un certain niveau d'énergie, chaque seconde, il existe une certaine probabilité$p$qu'il émette une particule alpha. Il en va de même pour les autres formes de rayonnement. Il s'agit de probabilités différentes, et certaines de ces probabilités peuvent être nulles, ce qui signifie qu'un atome particulier ne subira jamais un certain type de désintégration radioactive. Ces probabilités sont entièrement déterminées, mais le processus d'émission proprement dit est aléatoire : nous ne connaissons que la probabilité.

Les demi-vies et la nature aléatoire de la désintégration radioactive

Si nous avons beaucoup d'atomes identiques dans un échantillon (par exemple, dans un morceau de matière) qui ont tous une certaine probabilité par seconde de se désintégrer, alors tu peux imaginer qu'à un moment donné, il ne reste plus que la moitié du nombre original d'atomes dans l'échantillon. Plus la probabilité de désintégration par seconde est grande, moins il faut de temps pour qu'il n'en reste plus que la moitié.

Une demi-vie courte indique donc qu'un atome est très radioactif : la probabilité qu'il se désintègre dans la seconde qui suit est élevée.

La nature aléatoire de la désintégration radioactive nous indique maintenant qu'après une demi-vie, il n' est pas garanti qu'il reste exactement la moitié des atomes d'origine, mais qu'il s'agit simplement du résultat le plus probable et moyen. Tout autre nombre d'atomes restants a une probabilité plus faible de se produire. Cependant, les chances qu'il reste exactement la moitié des atomes d'un nombre initialement très élevé d'atomes sont toujours minimes.

Exemples de demi-vies

Comme chaque atome radioactif a une demi-vie que nous pouvons mesurer, nous pouvons donner quelques exemples et montrer que les demi-vies de différents isotopes peuvent différer sur des échelles de temps très différentes. La demi-vie d'un atome de carbone 14 est d'environ 5700 ans, alors que celle d'un atome d'uranium 235 est d'environ 700 millions d'années ! Cela signifie que le carbone 14 est plus radioactif que l'uranium 235, car les isotopes du carbone 14 ont une probabilité plus élevée de se désintégrer que l'uranium 235 dans la seconde qui suit. À l'autre extrémité du spectre, le copernicium-277 a une demi-vie d'un peu moins d'une milliseconde, ce qui fait que la durée de vie moyenne d'un atome de copernicium-277 est très courte : cet isotope est hautement radioactif.

Causes de la nature aléatoire de la désintégration radioactive

Cela pourrait être décevant, mais nous devrons accepter que chaque atome a simplement une probabilité intrinsèque de se désintégrer chaque seconde. Pour les isotopes stables, et donc non radioactifs, cette probabilité est nulle. Pour les isotopes radioactifs, cette probabilité peut être mesurée et est connue pour de nombreux isotopes. Les facteurs à l'origine de cette probabilité exacte, et donc les causes réelles du caractère aléatoire de la désintégration radioactive, dépassent largement le cadre de cet article.

Tu peux comparer un atome radioactif à un crayon instable. Il se trouve dans un état de haute énergie et veut tomber dans un état de basse énergie. Il suffirait d'une minuscule rafale pour faire tomber le crayon. Pourtant, nous ne savons rien des conditions exactes du vent autour du crayon, seulement du temps général (qui peut être comparé à la probabilité de la désintégration radioactive). À nos yeux, le crayon a tendance à tomber, mais nous ne savons pas quand le coup de pouce décisif se produira. Nous pouvons seulement dire qu'en cas de tempête, le crayon tombera probablement plus tôt que par temps calme, tout comme les atomes ayant une demi-vie plus petite se décomposeront probablement plus tôt que les atomes ayant une demi-vie plus grande.

Effets de la nature aléatoire de la désintégration radioactive

La nature aléatoire de la désintégration radioactive stipule que certains atomes d'un échantillon survivent tandis que d'autres atomes du même type se désintègrent. Il ne s'agit pas d'une distinction basée sur une quelconque différence de propriétés entre les atomes, mais purement basée sur des probabilités. Cela signifie également que seule une partie (aléatoire) des atomes identiques se sera désintégrée à un moment donné.

La nature aléatoire de la désintégration radioactive nous permet également de calculer les probabilités de survie d'un atome après un temps donné. Par exemple, après sa demi-vie, il y a une$50\%$de chance qu'un atome d'un échantillon ne se soit pas encore désintégré. Après 8 demi-vies, il y a une$0.4\%$probabilité qu'un atome soit encore intact. Ou, de manière équivalente, après 8 demi-vies, le résultat le plus probable est que$0.4\%$des atomes d'origine subsistent. La nature aléatoire de la désintégration nous indique maintenant qu'il n'y a aucun moyen de savoir exactement quels atomes subsistent.

Enfin, le célèbre graphique exponentiel qui illustre la décroissance exponentielle régulière des atomes montre que le nombre d'isotopes d'origine est à peu près divisé par deux après chaque demi-vie, puis trace une ligne régulière à travers les points de données. Cette décroissance exponentielle est correcte à grande échelle (voir l'article sur les demi-vies pour en savoir plus), mais à plus petite échelle, ce graphique sera plus "sauteux" : dans certains intervalles, il peut n'y avoir aucune décroissance, et dans d'autres intervalles, il peut y avoir beaucoup d'atomes qui se décomposent, purement par hasard. Le graphique ressemblera davantage à celui illustré ci-dessous.

Exemples et expériences sur la nature aléatoire de la désintégration radioactive

Une bonne expérience pour mesurer les radiations émises par les atomes peut être réalisée à l'aide d'un compteur Geiger-Müller, un appareil qui mesure les radiations alpha, bêta et gamma. S'il mesure un produit de la désintégration radioactive (particule ou onde), il l'enregistrera comme un événement.

Si tu tiens une substance radioactive à proximité d'un compteur Geiger-Müller, celui-ci enregistrera des événements à des intervalles aléatoires : il n'y aura pas de modèle dans les intervalles entre les événements mesurés. Cet enregistrement d'événements aléatoires sans modèle est la preuve expérimentale que la désintégration radioactive est de nature aléatoire. La fréquence moyenne des événements diminuera avec le temps, car de moins en moins d'atomes survivent pour produire le rayonnement et provoquer un autre événement.

Considère deux échantillons radioactifs, tous deux d'une masse de 1 kilogramme. Le premier échantillon contient des isotopes radioactifs à demi-vie courte, et l'autre est composé d'isotopes radioactifs à demi-vie plus longue. Dans l'échantillon à demi-vie courte, de nombreux événements se produiront en succession rapide, mais dans l'échantillon à demi-vie longue, les pauses entre les événements seront plus longues, car il faudra plus de temps pour que les événements se produisent. Cependant, les événements des deux échantillons seront espacés au hasard et donc totalement imprévisibles.