Radioactivité et rayonnements ionisants

RADIOACTIVITE

La radioactivité fut découverte par Henri Becquerel en 1896 en manipulant des sels d’uranium [3]. Entre 1896 et 1898, Marie Curie découvre que le thorium a la propriété d’émettre des rayonnements comme l’uranium [2, 3]. Avec son mari, ils ont découvert deux nouveaux éléments, le polonium en juillet 1898 et le radium en décembre 1898 [2].
En 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle et préparent de grandes quantités de radium et de polonium.
En janvier 1934, ils réalisent l’expérience qui va leur permettre de découvrir le premier isotope radioactif artificiel, le phosphore 30 [2, 3].
La radioactivité est la propriété qu’ont certains noyaux atomiques d’émettre des rayonnements pour se transformer en des noyaux stables. Ce phénomène est causé par des réactions nucléaires naturelles ou artificielles provocant la désintégration de noyaux atomiques instables [2, 3]. La radioactivité dépend de la taille et de la stabilité du radionucléide concerné. Cette stabilité nucléaire rencontrée dans la plupart des noyaux naturels, est le résultat de l’équilibre qui existe entre les neutrons et les protons au sein du noyau. Les noyaux stables sont généralement ceux qui sont composés d’une petite proportion de combinaison de nucléons. Pour les masses faibles (A < 40) la stabilité du noyau correspond à Z = N (même nombre de protons que de neutrons) et pour les éléments plus ou moins lourds, elle dérive vers N = 1,5Z +10 [2]. Lorsqu’un élément n’appartient pas à cette vallée de stabilité, on note une proportion déséquilibrée des nucléons au sein du noyau qui devient ainsi instable. A l’issu de ce déséquilibre, le noyau tend à évoluer vers un état stable [3], et cette évolution correspond à une transformation radioactive.

CARACTERISTIQUES DES RADIATONS NUCLEAIRES

Les radiations nucléaires constituent l’ensemble des rayonnements issus de la radioactivité.
Elles se présentent sous deux formes:
• Sous forme de particules constituées par les neutrons, les particules α, les particules β+-

RADIOACTIVITE ET RAYONNEMENTS IONISANTS

Ces radiations sont obtenues à la suite d’une transformation radioactive due à un déséquilibre du noyau par suite d’un excès de nucléons, qui peut être soit un excès de neutrons soit un excès de protons soit un excès des deux à la fois.
• et sous forme électromagnétique ou photonique: rayons γ, rayons X. Dans ce cas, le déséquilibre tient à un excès d’énergie par rapport à l’énergie d’interaction entre les nucléons.

Radioactivité due à un excès de nucléons

Excès global de nucléons

Ce mode de désintégration concerne plus particulièrement les noyaux lourds. Il permet aux noyaux dont l’instabilité est due à un excès de nucléons d’évoluer vers un état stable par émission d’un noyau d’hélium ou particule α selon la réaction suivante.

Excès de protons

Dans le cas d’un excès de protons, on observe deux possibilités de radioactivités:
• Soit par transformation d’un proton en un neutron et un positron éjecté qui correspond à l’émission β+.
• Soit par ‘’capture électronique’’; un électron périphérique se combine avec un proton du noyau pour donner un neutron.
L’émission β+ s’effectue suivant le même principe que celle β− à la seule différence que la désintégration β+ est occasionnée par un excès de protons au sein du noyau. Le proton de l’atome radioactif se transforme selon la réaction:
La lacune créée par la capture d’un électron d’une orbitrale interne très proche du noyau est compensée par réarrangement du cortège électronique. Ce réarrangement est accompagné d’un rayonnement de fluorescence X et/ou d’une émission d’électrons de ‘’Auger’’. Ces rayonnements extra-nucléaires sont caractérisés par des spectres de raies et des énergies inférieures à 100 KeV dont une bonne estimation est donnée par la loi empirique:

Emission radiative due à un excès d’énergie

Une désintégration engendre souvent un état excité du noyau fils Y*, qui sauf cas particulier, se désexcite instantanément, par émission d’un rayonnement γ en général.
La désexcitation du noyau préalabement excité peut s’effectuer de deux manières:
o soit l’énergie est communiquée à un électron qui est éjecté; c’est le phénomène de conversion interne avec émission d’électrons d’énergie inférieure à celle des β−.
o soit l’énergie est émise sous forme d’un photon qui est d’origine nucléaire et non électronique que l’on appelle photon γ correspondant ainsi à la radioactivité γ.

Paramètres de la désintégration radioactive

Les noyaux radioactifs ou radio nucléides sont caractérisés par un certain nombre de paramètres permettant d’évaluer leur vitesse de désintégration, l’intensité des rayonnements qu’ils émettent et les effets biologiques de ces derniers selon leur nature et de celle du milieu cible.

Loi de la désintégration radioactive

On considère un échantillon contenant N noyaux radioactifs à un instant t. Ce nombre est noté N0 à l’instant initial. Le nombre de noyaux désintégrés pendant une durée ∆t élémentaire est -∆N . Le nombre de noyaux radioactifs non désintégrés à la date t+∆t est égale à