Transformations Radioactives CM2 PDF

Les transformations radioactives I. Différents types de réactions radioactives Il existe un certain nombre de transformations radioactives. Les désintégrations L’émission alpha : correspond au noyau d’Hélium (1 proton et 2 neutrons) aussi appelé particule alpha. C’est une désinté...

Les transformations radioactives I. Différents types de réactions radioactives Il existe un certain nombre de transformations radioactives. Les désintégrations L’émission alpha : correspond au noyau d’Hélium (1 proton et 2 neutrons) aussi appelé particule alpha. C’est une désintégration puisque on va passer d’un noyau X à un noyau Y Les émissions Beta : il y en existe deux types, émission d'un électron β- et émission d'un positon β+ Capture életronique: dans le certaines conditions où l’émission β+ sera impossible Les transitions Les émissions Gama : une émission nucléaire; l’émission Gama d’un rayonnement correspond à un passage excité d’un noyau à une désexcitation du même noyau On obtient un noyau X moins existé Conversion interne: peut accompagner les émissions Points étudiés pour chaque transformations Réaction nucléaire Conservation de la masse (Σ A(i) = Σ A(f)) Conservation de la charge (Σ Z(i) = Σ Z(f)) Bilan énergétique Masse des noyaux Masse atomique Particules émises et spectre des particules détectées Spectre: diagramme (nombre, énergie): « carte d’identité du rayonnement » En X : énergie des particules ou des photons en eV En Y : nombre de ces particules ou photons ayant l’énergie correspondante Différents types: spectres de raies ou continus LES DÉSINTÉGRATIONS 1. Les désintégrations alpha Mode de désintégration que je subis les noyau lourd (contenant trop de nucléons). Pour revenir à un état stable et ils vont émettre 2 protons et 2 neutrons, correspondant au noyau d’hélium ou particule α. Réaction nucléaire Bilan énergétique Particule émise détectée → particule α Spectre Toutes les particules alpha sont émises à la même énergie (spécifique du noyau père émetteur) d’où le spectre de raie  2.Les désintégrations béta a.Désintégration β- Mode de désintégration que subissent les noyaux présentant un excès de neutrons. Transformation spontanée d’un neutron en proton avec émission d'un électron e- (β-) et émission d'une particule qu'on appelle un anti-neutrino. Par convention la désintégration β- est représentée par une flèche allant de la gauche vers la droite. Réaction nucléaire Bilan énergétique Particule émise détectée → particule β - Spectre L’énergie disponible est partagée entre e- et anti-neutrino d’où le spectre continu. b. Désintégration β+ Mode de désintégration que subissent les noyaux présentant un excès de protons. Transformation spontanée d'un proton en neutron avec émission d'un positon e+ (β+) et d'un neutrino. Réaction nucléaire Bilan énergétique Particule émise → particule β+ Spectre L’énergie disponible est partagée entre e+ et le neutrino d’où le spectre continu. 3. Capture électronique Mode de désintégration que subissent les noyaux présentant un excès de protons. Intervient en concurrence avec l’émission B+. Capture d’un électron appartenant au cortège électronique (généralement de la couche K) par un proton du noyau. Réaction nucléaire Bilan énergétique Particule émise détectée Suite à cette réaction il y a une vacance créée puisque l’électron est capté par le noyau. On aura donc un réarrangement du cortège électronique avec émission de photons de florescence ou d’électrons Auger ⇒ Photons de réarrangement du cortège de Y Conséquence 1-émission de photons de fluorescence par le saut de l’électron de M sur K 2- émission Auger : dans ce cas une fois que l’électron va être capte par le noyau un électron d’une couche proche ici la couche L va venir combler cette lacune et l'énergie qu'il va en être libéré elle va servir à éjecter un électron qui se trouve sur une couche plus lointaine (il est moins lié). Ici elle va servir à l'éjection d'un électron qui se trouve sur la couche M et cet électron on appellera l'électron Auger. Spectre Spectre de raies puisqu’ il sera caractéristique de l'atome qui va subir la capture électronique. Donc ces deux modes de désintégration que nous venons de voir désintégration bêta plus et les captures électroniques sont des modes qui sont en concurrence. Les réactions ont le même noyau père X et le même noyau fils Y. Ces 2 réactions sont possibles mais pas obligatoire et elles sont possibles que si Pour certains atomes vous allez rencontrer une compétition entre ces deux mécanismes. Ex Ici il vous est représenté le schéma de désintégration du cuivre 64 et vous voyez que vous avez une compétition entre l’émissions β+ du cuivre vers le nickel (avec comme représentation un très vertical qui correspond au 1,022 meV qui sont nécessaires pour avoir une émission β+) avec des captures électronique (que vous voyez donc ici qui sont représentés par des flèches qui vont de droite à gauche). LES TRANSITIONS RADIOACTIVES 1. Désexcitation électromagnétique Dans certains cas, après désintégration, le noyau va se retrouver dans un état excité et il va revenir inéluctablement à l'état fondamental par désexcitation électromagnétique :  Émission des photons gamma : plusieurs transition gamma successives peuvent être nécessaires au noyau pour revenir à son état fondamental Conversion interne : dans ces cas-là, l’énergie de désexcitation est transférée à un électron périphérique va faire finalement être éjecté Création de paires : l’énergie de désexcitation elle va être matérialisée par une paire e+/e- émis simultanément a. Émission Gama L’isomérie nucléaire est le fait qu'un même noyau atomique puisse exister dans des états énergétiques distincts. Par exemple, sur le schéma de désintégration vous voyez que le baryum existe à la fois à l'état excité (représenté à la petite étoile) et à la fois à l’état stable après désexcitation. Ce retour à l'état fondamental va se faire en expulsant l'excédent d'énergie sous forme d’un photons gamma. La durée de l'état excité est très brève l'ordre de 10−10secondes. Si l’expulsion d’énergie est incomplète, le phénomène recommence. Donc lorsque plusieurs émissions gamma successives interviennent pour aboutir à ce niveau d'énergie fondamentale, on a une cascade de photons gamma. Si le noyau reste excité pendant un temps supérieur à 0,1 s on va dire qu’il se trouve dans un état métastable. Donc le niveau nucléaire excité, isomère du niveau fondamental est dit métastable et noté L’émission gamma différée est appelée transition isomérique.  C’est le cas du technétium 99m. En effet le molybdène 99 va décroître par émission bêta en technétium 99 métastable, qui lui va décroître un technétium stable par transition gamma avec une période physique d’environ 6h. b. Conversion interne La conversion interne est un phénomène indépendant de la radioactivité gamma mais qui parfois est en concurrence avec celle-ci. La conversion interne c’est l’expulsion de l'excès d'énergie noyau ΔE sur un électrons du cortège électronique, d’énergie de liaison En Avec une énergie cinétique qui est égal au niveau d'énergie du noyau excité ΔE moins cette est énergie de liaison En Cet excès d’énergie va entraîner le faite qu'un électron va être expulsé du cortège électronique avec cette énergie cinétique Ec. On aura donc comme phénomène secondaire un réarrangement du cortège électronique. c. Chaînes de désintégration Une chaîne de désintégration est une série de transformations spontanées des radioisotopes de façon à arriver à un noyau stable. On parle aussi de désintégration en cascades ou de filiation radioactive. La désintégration de l'uranium 238 et donc des transformations spontanées successives pour arriver à un état stable, le plomb 206. d. Conventions d’écriture des différents types de désintégration β- : flèche de gauche à droite β+ qui est en compétition avec la capture électronique : flèches de droite à gauche Transition isomérique : flèche droite II. Cinétique des transformations radioactives 1. Constante radioactive λ La radioactivité est un phénomène aléatoire. On va pouvoir déterminer une probabilité p que va avoir un noyau de se désintégrer pendant une durée brève. λ est une constante et son unité c'est du temps−1donc généralement elle s'exprime en s −1 λ = probabilité de désintégration/seconde λ est caractéristique du nucléide considéré donc elle ne dépend pas des conditions physiques des conditions physico-chimiques, du temps… 2. Loi de décroissance Évolution du nombre de noyau en fonction du temps Soit N0 le nombre de noyau à T0, N(t) le nombre de noyau au bout d’un certain temps t et λ la constante radioactive. Entre t et t+Δt il va disparaître un nombre de noyau proportionnel à p(Δt) et à N(t). La vitesse de désintégration est proportionnelle au nombre N de nucléides restant c'est-à-dire λ.N Cette équation s’intègre en  Si on regarde le nombre de noyau en fonction du temps on aura cette courbe qui représente l'évolution du nombre de noyau radioactif qui va décroître en fonction du temps. 3. Activité radioactive A(t) Soit N(t) noyaux actifs, le nombre de transformations par unité de temps est λN(t) C’est ce qu'on appelle l'activité ou encore en activité radioactive notée A(t). Comme le nombre de noyau, l’activité va décroître de façon exponentielle au cours du temps. L’unité de l’activité est le Becquerel (Bq).  1 Bq = 1désintégration par seconde 3 Multiples : - kBq=10 Bq -MBq=106 Bq -GBq=109 Bq 4. Période radioactive Tp La période physique aussi appelé période radioactive ou encore période de demi-vie (t1/2) correspond au temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs se sont désintégrés. Après une période il reste dans l'échantillon N0/2 noyaux. Après 2 périodes N0/4 noyaux ; après 3 périodes N0/8 noyaux… On peut écrire que si n est le nombre de période, t= n. Tp On admet que après 10 périodes physique il ne va rester que 1/1000 des noyaux initiaux. 5. Période effective Notion très importante et très utilisée en médecine. En effet, lorsque l'on va administrer un médicament radioactif à un patient que ce soit pour faire de l'imagerie ou pour traiter un patient et on va pouvoir calculer quel est le temps au bout duquel l'organisme va éliminer la radioactivité. Lorsqu’on va lui administrer un médicament radioactif il y a deux phénomènes qui font qu’il va éliminer ce médicament. Premièrement, on aura la décroissance physique et deuxièmement la décroissance biologique qui va rentrer en compte. La décroissance biologique c’est le temps au bout duquel le patient va éliminer le médicament. Pour tous les médicaments d'une façon générale on parle de demi-vie d’élimination qui est le temps au bout duquel le patient à éliminer la moitié de ce médicament. La probabilité globale de décroissance tient compte de ses deux phénomènes Masse d’une source d’activité Exercice