Désintégration radioactive
La classification périodique comporte aujourd'hui 118 éléments chimiques. Ceux-ci présentent un grand nombre d'isotopes, et la majorité d'entre eux sont instables et considérés comme radioactifs.
Un noyau est dit radioactif s'il peut se désintégrer spontanément en libérant une particule et de l'énergie. Cette désintégration s'effectue aléatoirement dans le temps.
Lors d'une désintégration radioactive, il y a :
- conservation du nombre de charges électriques Z ;
- conservation du nombre de masse A.
Radioactivité α
Les noyaux très lourds, avec excès de nucléons, sont instables. Lors de cette désintégration, il y a émission d'un noyau d'hélium $^4_2\text{He}$, appelé particule α :
Radioactivité β⁻
Les noyaux possédant un excès de neutrons sont instables et se désintègrent en libérant un électron :
Radioactivité β⁺
Les noyaux possédant un excès de protons sont instables et se désintègrent en libérant un positon :
Radioactivité γ
Après la désintégration d'un noyau radioactif α ou β, le noyau obtenu se trouve généralement dans un état excité. Pour gagner en stabilité, ce noyau émet un photon de très grande énergie :
- Particule α : noyau d'hélium $^4_2\text{He}$, émis par les noyaux très lourds.
- Particule β⁻ : électron, émis par les noyaux ayant un excès de neutrons.
- Particule β⁺ : positon, émis par les noyaux ayant un excès de protons.
- Rayonnement γ : photon de grande énergie, émis par un noyau-fils excité.
- Dans toutes ces désintégrations, Z et A se conservent (lois de Soddy).
Décroissance radioactive
Activité d'un échantillon
La désintégration d'un noyau radioactif est un phénomène aléatoire. Bien que la désintégration d'un noyau ne soit pas prévisible, on peut prévoir l'évolution de la quantité de noyaux radioactifs dans un grand échantillon.
Le temps de demi-vie $t_{1/2}$ est la durée au bout de laquelle l'activité et le nombre de noyaux radioactifs ont été divisés par deux.
Loi de décroissance radioactive
L'activité correspond au nombre de désintégrations par unité de temps ; elle est également proportionnelle au nombre de noyaux restants $N(t)$ :
On en déduit l'équation différentielle vérifiée par $N(t)$ :
Le temps de demi-vie $t_{1/2}$ et la constante radioactive $\lambda$ sont liés par la relation :
- On peut aussi définir une constante de temps $\tau = \dfrac{1}{\lambda} = \dfrac{t_{1/2}}{\ln(2)}$.
- Au bout de $t = 5\tau$, environ 99 % des noyaux se sont désintégrés.
- $N(t)$ décroît de façon exponentielle : c'est une décroissance radioactive.
Datation
La radioactivité est un phénomène naturel omniprésent, aussi présente dans les roches et les organismes. Lorsque ceux-ci ne renouvellent plus la quantité d'isotopes par des échanges avec l'extérieur, l'activité radioactive décroît. Si la population initiale $N_0$ en noyaux radioactifs est connue, une mesure de $N$ à un instant $t$ peut permettre une datation.
- L'isotope doit être présent initialement dans l'organisme ou l'objet à dater.
- Le temps de demi-vie $t_{1/2}$ de l'isotope ne doit pas être trop court par rapport à l'âge de l'échantillon analysé.
Usages
La radioactivité est mise à profit dans de nombreuses applications, notamment dans l'imagerie médicale ou encore en radiothérapie pour détruire des cellules cancéreuses.
Elle est également répandue dans l'industrie afin de stériliser des aliments ou des objets, mais son utilisation n'est pas sans risque.
La radioactivité absorbée par le corps peut être soit ponctuelle (examen médical), soit permanente avec la radioactivité naturelle de l'environnement.
Les méthodes de protection dépendent du type de radioactivité et de la durée d'exposition.
- Les particules α ont un rayonnement hautement ionisant, mais une pénétration dans le corps humain plus faible que les particules β ou γ.
- Les particules β et le rayonnement γ sont moins ionisants mais pénètrent davantage dans le corps.
- Ces expositions peuvent entraîner des problèmes de santé, dont de nombreux cancers.