Cours de Radioactivité - Institut national de physique ...

1 PHY113 : Cours de Radioactivit 2011-2012. Cours de Radioactivit . Yannick ARNOUD. Mise jour en 2011 par Ingo Schienbein Le but de ce Cours est de permettre aux tudiants qui seront amen s utiliser des sources radioactives d'acqu rir les bases de la radioactivit . Aussi bien au niveau du vocabulaire que des mesures de radioprotection. En fin de formation, vous devrez tre capables : de mettre en uvre de fa on efficace une protection contre les rayonnements des sources radioactives (ex. 32P) que vous pourrez tre amen s utiliser dans le Cours de votre formation de biologiste, d'associer types de radioactivit et impact en termes de d g ts biologiques, de d chiffrer le contenu physique d'un diagramme de d sint gration, de mettre en uvre le principe ALARA.

2 Page 1 Y. ARNOUD. PHY113 : Cours de Radioactivit 2011-2012. I - Introduction a. La radioactivit dans la nature La radioactivit est d'origine naturelle. L'int gralit des l ments pr sents sur Terre, y compris les noyaux radioactifs, ont t form s : dans la phase de nucl osynth se aux premiers instants de l'univers, pour les l ments l gers (hydrog ne et h lium), dans les toiles, pour les l ments jusqu'au fer, lors de l'explosion des toiles, marquant la fin de vie de celles-ci, pour les l ments au-del du fer. La radioactivit est l'origine de l'apparition de la vie sur Terre. C'est la chaleur qu'elle g n re qui maintient le noyau terrestre sous forme liquide, et qui a permis lors des ruptions volcaniques la formation de l'atmosph re primitive (protection contre les m t orites, effet de serre pour diminuer les carts thermiques entre le jour et la nuit).

3 C'est aussi la radioactivit qui entretient la combustion au sein du soleil, par le biais des r action thermonucl aires o l'hydrog ne est transform en h lium. b. La radioactivit et l'homme Depuis plus d'un si cle, l'homme a d couvert l'existence de la radioactivit . Il a su exploiter l' nergie fabuleuse cach e au c ur de la mati re, avec plus ou moins de bonheur, et m me cr er de nouveaux l ments qui n'existent pas sur Terre ! Quelques applications : nerg tiques : centrales nucl aires fission, m dicales : utilisation de traceurs radioactifs pour les diagnostics, traitement des cancers, biologiques / g ologie : tudes in vivo l'aide de marqueurs radioactifs, datation militaires : bombes nucl aires fusion ou fission c.

4 Ordres de grandeur On va comparer les grandeurs physiques du monde atomique avec celles du monde subatomique. Echelles de distance (1 : 10-5). La taille des atomes est de l'ordre de 10-10 m ou 1 . La taille des noyaux est de l'ordre de 10-15 m ou 1 fermi (fm). Echelle de masse volumique (1 : 1014). La quasi totalit de la masse d'un atome est concentr e dans le noyau. Pour rendre compte de la compacit du noyau, on peut comparer la masse d'un volume d'un centim tre cube (un d coudre). rempli d'atomes de fer, et de noyaux de fer : masse d'un cm3 d'atomes de fer : 7,874 g masse d'un cm3 de noyaux de fer 2,125 x 1014 g soit plus de 200 millions de tonnes dans un d . coudre !!! On peut trouver dans l'univers des objets aussi denses, sous la forme d' toiles.

5 Neutrons. Echelle d' nergie (1 : 106). Si compare les nergies en jeu au sein des atomes et des noyaux d'atomes, on observe que l' nergie de liaison des lectrons au noyau est environ un million de fois plus petite que l' nergie de liaison qui assure la coh sion des protons et des neutrons au sein du noyau. Page 2 Y. ARNOUD. PHY113 : Cours de Radioactivit 2011-2012. C'est cette diff rence entre nergies de liaison qui explique l' cart entre les effets des r actions chimiques (ex. dynamite) et des r actions nucl aires (ex. bombe atomique). II. Notations Un noyau comportant Z protons et N neutrons est not sous la forme : AZ X N . A est le nombre de nucl ons, c'est- -dire le nombre de protons et de neutrons : A=Z+N. Pour d finir un noyau, on donne souvent le nom de l' l ment chimique (qui fixe le nombre de protons) et le nombre de nucl ons (qui fixe la somme du nombre de protons et de neutrons) : carbone 12 : 126 C6.

6 (carbone = 6i me l ment de la classification de Mendele ev. Il y a 6 lectrons dans cet atome donc le noyau consid r contient 6 protons. Le nombre total de nucl ons est 12, le noyau contient donc 12-6 = 6 neutrons). uranium 235 : 235 92 U143. i me (uranium = 92 l ment de la classification de Mendele ev. Il y a 92 lectrons dans cet atome donc le noyau contient 92 protons. Le nombre total de nucl ons est 235, le noyau contient donc 235-92 = 143 neutrons). a. Classification des noyaux 16. Les noyaux ayant le m me nombre Z de protons s'appellent des isotopes : 8 O8 , 178 O9 , 188 O10. 15. Les noyaux ayant le m me nombre N de neutrons s'appellent des isotones : 7 N8 , 168 O8. 40 40. Les noyaux ayant le m me nombre A de nucl ons s'appellent des isobares : 18 Ar22 , 20 Ca 20.

7 On peut noter que plusieurs isotopes d'un m me l ment chimique sont naturellement pr sents dans l'atmosph re. Ainsi, le carbone que l'on trouve dans le CO2 par exemple, est r parti de la mani re suivante : 98,89% de 126 C (stable). 1,11 % de 136 C (stable). 14. C. et une infime fraction de 14. 6 C (radioactif de p riode 5730 ans) : le rapport 6. 12. vaut 1,3 10 12. 6 C. Le carbone est fix par les tres vivants et on le retrouve par exemple dans la cellulose des arbres, cr e lors de la photosynth se. Ainsi, le bois d'un arbre est naturellement radioactif. C'est cette propri t des tissus vivants fixer le CO2 (donc le 146 C ) qui est l'origine de la m thode de datation par le carbone 14. Plus surprenant, le corps humain est lui aussi naturellement radioactif !

8 La radioactivit du corps humain provient de la pr sence en son sein de deux radio l ments d'origine naturelle, le potassium-40 et le carbone-14, l'origine de 8000 d sint grations par seconde. b. Vall e de stabilit . La repr sentation des noyaux connus dans un graphe (N, Z) permet de mettre en vidence la ligne de stabilit , peupl e par les noyaux stables (on devrait plut t parler de courbe de stabilit ). Page 3 Y. ARNOUD. PHY113 : Cours de Radioactivit 2011-2012. Figure 1 : carte des noyaux connus. Les noyaux stables sont not s en noir. Les noyaux instables vont, par une suite de d sint grations radioactives, se transformer jusqu' devenir stables : au dessous des noyaux stables, on trouve en bleu les noyaux trop riches en neutrons.

9 Ces noyaux reviennent vers la ligne de stabilit par d sint gration -, qui transforme au sein du noyau un neutron en proton. au dessus des noyaux stables, on trouve en rouge les noyaux trop riches en protons. Ces noyaux reviennent vers la ligne de stabilit par d sint gration + ou par capture lectronique, qui transforme au sein du noyau un proton en neutron. les noyaux lourds riches en protons sont revenir vers la ligne de stabilit par d sint gration alpha Enfin, les noyaux tr s lourds se fissionnent en donnant naissance des produits de d sint gration l gers. Une repr sentation en 3D o le troisi me axe repr sente la masse des noyaux permet d'illustrer les transformations nucl aires jusqu' atteindre l' tat de stabilit maximal, en fond de vall e.

10 Page 4 Y. ARNOUD. PHY113 : Cours de Radioactivit 2011-2012. III. Bilan d' nergie de masse D'o vient l' nergie lib r e lors des transformations nucl aires ? Lors d'une r action nucl aire spontan e, la masse des particules dans l' tat initial est sup rieure la masse des produits de d sint gration. Exemples : d sint gration alpha : 212. 84Po 208. 82Pb+ avec mPo >mPb +m . d sint gration - : 60. 27Co 28Ni+e- + . 60. avec mCo >mNi +me fission spontan e : 252. 98Cf 146. 56Ba+ 42Mo 106. avec mCf >mBa +mMo On observe une diff rence de masse entre mi (masse de la particule dans l' tat initial) et m f (somme des masses des particules dans l' tat final) : m=mi -m f . On appelle bilan d' nergie de masse de la d sint gration la quantit Q d finie par : c 2 (mi -mf ) c 2.