Cours de Radioactivité - LPSC

1 PHY113 : Cours de Radioactivit 2009-2010 Page 1 Ingo SCHIENBEIN CCoouurrss ddee RRaaddiiooaaccttiivviitt 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 PHY113 : Cours de Radioactivit 2009-2010 Page 2 Ingo SCHIENBEIN I - Introduction a.

2 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 neutrons.

5 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. PHY113 : Cours de Radioactivit 2009-2010 Page 3 Ingo SCHIENBEIN 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 : AZNX . 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 : 1266C (carbone = 6i me l ment de la classification de Mendele ev.)

6 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 : 23592143U (uranium = 92i me 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 Les noyaux ayant le m me nombre Z de protons s appellent des isotopes : 16171888 89 810O, O, O Les noyaux ayant le m me nombre N de neutrons s appellent des isotones : 15167888N, O Les noyaux ayant le m me nombre A de nucl ons s appellent des isobares : 404018222020Ar ,Ca On peut noter que plusieurs isotopes d un m me l ment chimique sont naturellement pr sents dans l atmosph re.

7 Ainsi, le carbone que l on trouve dans le CO2 par exemple, est r parti de la mani re suivante : 98,89% de 126C(stable) 1,11 % de 136C(stable) et une infime fraction de 146C (radioactif de p riode 5730 ans) : le rapport 146126 CCvaut 121, 3 1 0 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 146C ) qui est l origine de la m thode de datation par le carbone 14. Plus surprenant, le corps humain est lui aussi naturellement radioactif ! 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.

8 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 ). PHY113 : Cours de Radioactivit 2009-2010 Page 4 Ingo SCHIENBEIN 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. 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.

9 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. PHY113 : Cours de Radioactivit 2009-2010 Page 5 Ingo SCHIENBEIN III. Bilan d nergie de masse D o vient l nergie lib r e lors des transformations nucl aires ?

10 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 : 2122088482 PoPb + avec PoPb mmm>+ d sint gration - : 6060-2728 CoNi e ++ avec -CoNiemmm>+ fission spontan e : 252146106985642 CfBaMo + avec CfBaMommm>+ On observe une diff rence de masse entre im (masse de la particule dans l tat initial) et fm (somme des masses des particules dans l tat final) : if m=m -m . On appelle bilan d nergie de masse de la d sint gration la quantit Qd finie par : 22ifQ= m(m-m)cc = C est cette transformation de l nergie de masse en nergie cin tique et / ou d excitation qui est communiqu e aux produits de d sint gration.