Les transformations radioactives

FACULTE de MEDECINE de l’UNIVERSITE d’ORAN

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LES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES L’expérience de la figure ci-dessous met en évidence, selon leur comportement dans le vide, sous l’action d’un champ magnétique uniforme, l’existence de 3 types de rayonnement : - le rayonnement alpha (), chargé positivement, constitué de noyaux d’Hélium (hélion) He2+.

- le rayonnement bêta ( -), chargé négativement, constitué d’électrons.

- le rayonnement gamma (), rayonnement électromagnétique, de très courte longueur d’onde. radium

I - Stabilité du noyau et transformations radioactives Les nucléides stables se répartissent sur le diagramme protons-neutrons de façon différente : - les noyaux légers sont localisés au voisinage de la 1ère bissectrice.

- quand le nombre de protons Z augmente, celui des neutrons N augmente plus rapidement, la répartition se fait suivant une parabole. Pour assurer la stabilité du noyau, il est nécessaire de compenser l’augmentation des forces répulsives (interaction électromagnétique), par une augmentation des forces de cohésion entre nucléons (interaction forte) - quand A devient très élevé, la zone de stabilité s’arrête, car il n’y plus de possibilité de noyau stable, les forces d’interactions fortes étant saturées, l’augmentation du nombre de neutrons ne peut plus compenser celle du nombre de protons.

II - LES PROCESSUS BETA La radioactivité bêta concerne les noyaux instables situés dans la zone (1) et (2) ; au cours de ces différentes transformations, le nombre total de nucléons reste inchangé (transformations isobarique), ces processus mettent en jeu des électrons et sont une des manifestations de l’interaction faible.

II - 1) La radioactivité  II - 1 - a) Le mécanisme : Un noyau de la zone d’instabilité (1) contient trop de neutrons ; pour lui permettre de 1 1 0 retrouver sa stabilité, ces neutrons excédentaires subissent la transformation : 0n  1p + -1e +  Le proton peut demeurer dans le noyau, tandis que l’électron et l’antineutrino sont expulsés car ils n’y sont pas quantique ment viables ; globalement par exemple :

C  147N + -01e + 

14 6

Le descendant a le même nombre de masse A que le précurseur, par contre, le numéro atomique Z est différent, il s’agit donc d’une transmutation (élément chimique différent).

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L’émission de l’antineutrino se justifie pour respecter les lois de conservation : - du spin - de la quantité de mouvement - de l’énergie II - 1 - b) Le bilan énergétique :

X  Z+A1X' + -01e + 

A Z

L’énergie propre du système étant conservée : M0 (A,Z).c2 = [ M0 (A,Z+1) + me + m ].c2 + Ece + Ec + EcX’ En négligeant l’énergie cinétique de recule du noyau X’, très lourd, et la masse de l’antineutrino : W- = Ece + Ec = [M0 (A,Z) - M0 (A,Z+1) - me ].c2 Cette relation montre bien la répartition de l’énergie de désintégration entre l’énergie cinétique de l’électron et celle de l’antineutrino.

L’énergie fixe libérée par la transformation peut se répartir de façon variable entre les particules  et .

Les électrons peuvent être émis avec une énergie cinétique maximale: Ece = Ece(max)  Ec = 0 A Dans certains cas le descendant Z1X' résultant de la transformation A est stable. Le précurseur ZX est alors un émetteur  pur.

-

A * Très souvent, la transformation par émission  produit un nucléide dans un état excité Z1X' ou Am métastable Z1X' . Ce nucléide retourne à un état fondamental en se «débarrassant » de son excès d’énergie :

W - = Ece + Ec + Eexcitation II - 2) La radioactivité  + et capture électronique II - 2 - a) Le mécanisme : Les noyaux instables de la zone (2), contenant un excès de proton, s’en débarrassent pour retrouver leur stabilité selon 2 processus :

p  01n + +01e + 

radioactivité +

p + -01eK  01n + 

capture électronique

(I)

1 1

(II)

1 1

Les éléments légers de la zone (2) se transforment principalement par émission  + et les éléments lourds par capture électronique.

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II - 2 - b) Le bilan énergétique : - radioactivité  + :

X  ZA-1X' + +01e + 

A Z

M0 (A,Z).c2 = [ M0 (A,Z-1) + mpos + m ].c2 + Ecpos + Ec + EcX’ avec les mêmes hypothèses que pour la radioactivité - : W+ = Ecpos + Ec = [M0 (A,Z) - M0 (A,Z-1) - mpos ].c2 Comme pour la radioactivité -, le positon et le neutrino se partagent aléatoirement l’énergie de désintégration.

Dans le cas où le descendant est instable; alors : W - = Ece + Ec + Eexcitation

- capture électronique :

X + -01eK  ZA-1X' + 

A Z

Il se produit une interaction entre les protons excédentaires du noyau et les électrons de la couche K de l’atome, d’énergie de liaison WK : [M0 (A,Z) + meK ]c2 - WK = [M0 (A,Z-1) + m ].c2 + Ec + EcX’ En négligeant l’énergie cinétique de recule du noyau X’, très lourd, et la masse de l’antineutrino : WCE = Ec = [M0 (A,Z) + meK - M0 (A,Z-1) ].c2 - WK Tous les neutrinos émis ont même énergie cinétique.

La capture d’un électron de la couche K, y laisse une place vacante, provoque un réarrangement électronique avec émission caractéristique de rayon X. Les seules réactions de capture électronique utilisable en médecine sont celles qui aboutissent à des nucléides excités ou métastables : WCE = Ec + Eexcitation

III - LA RADIOACTIVITE ALPHA Les noyaux instables de la zone (3), contiennent à la fois trop de neutrons et de protons car il s’agit d’atomes lourds (Z  86) ; ils vont retrouver leur stabilité en expulsant une particule alpha ou noyau d’Hélium (hélion) constitué de 2 protons et de 2 neutrons ; ce processus est une manifestation de l’interaction forte.

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X 

A Z

III - 1 ) Le mécanisme Ex :

Ra 

226 88

222 86

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X' + 42He

Rn + 42He

D’après le modèle à couche, la particule , correspond à une couche complète, elle constitue la plus petite des configurations hyper stables (nombres magiques).

III - 2) Le bilan énergétique Par suite de la conservation d’énergie totale du système : M0 (A,Z).c2 = [ M0 ( A-4,Z-2 ) + M(  ) ].c2 + Ec + EcX’ L’énergie cinétique de recul du noyau fils étant très faible, de plus M  MX’ ; alors W = Ec : Les particules  sont mono énergétiques.

EcX’  0 et

Dans certains cas, l’émission  peut être multiple, chaque particule ayant une énergie bien définie, on obtient alors un spectre de raies; ce phénomène est explicable à partir du modèle à couches, il en est même une confirmation.

212 208 Ex : 83Bi  81Tl + 1 ou 2 , 3 , 4 , 5 - 5 = 5,707 MeV 1,1 % - 4 = 5,727 MeV 0,16 % - 3 = 5,871 MeV 1,8 % - 2 = 6,159 MeV 70 % - 1 = 6,199 MeV 27 % Emission multiple Il peut y avoir formation d’un noyau de tellure dans son état fondamental, Tl, avec émission d’une particule  unique mais, par suite de la quantification, il peut aussi y avoir formation de ce noyau dans 4 état excités différents, Tl*, correspondant à 4 valeurs différentes de l’énergie, donc à 4 autres transformations possibles, avec émission de 4 raies différentes.

Le retour à l’état fondamental du Tl*, se fait avec émission d’un photon .

Ex :

Bi 

212 83

Tl* + 2  20881Tl + 1

208 81

IV - LA RADIOACTIVITE GAMMA IV - 1) Noyau excités - Isomérie nucléaire Grâce à la conception d’un modèle nucléaire à couches, il est possible d’admettre que, dans un noyau, les nucléons occupant différents niveaux énergétiques, un même noyau puisse exister dans un état fondamental ou dans un état excité. La durée de vie de l’état excité varie de 10 -12 s à plusieurs heures, quand elle est supérieure à 1 s, on dit que l’on est en présence d’un isomère nucléaire.

IV - 2) Désexcitation du noyau Lors de la désexcitation, deux processus peuvent être mis en jeu : l’émission  ou désexcitation électromagnétique ; la conversion interne Dr Boublenza.H

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IV - 2- a) L’émission  Cette désexcitation est une transformation isomérique : X*  X + h le photon émis a une énergie : h = W* - W0 cette énergie ayant une valeur très élevée, la longueur d’onde du photon est courte de 0,1 à 10-5 nm.

Toujours par suite de la quantification nucléaire, le retour à l’état fondamental peut s’effectuer en plusieurs étapes, avec chaque fois émission d’un photon d’énergie différente ; le spectre  est donc un spectre de raies.

IV - 2- b) La conversion interne Pour se désexciter, le noyau peut aussi transférer son énergie à un électron K ou L du cortège électronique de l’atome, qui est émis avec une certaine énergie cinétique ; si : - W* représente l’énergie de désexcitation du noyau, - Wn, l’énergie de liaison d’un électron de la couche n, - Ecn, l’énergie cinétique de l’électron émis : Ecn = W* - Wn Après expulsion de l’électron de conversion interne, l’atome se désexcite à son tour en émettant des raies X.

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