FACULTE de MEDECINE de l’UNIVERSITE d’ORAN
DEPARTEMENT de PHARMACIE
LA RADIOACTIVITE
L’EVOLUTION TEMPORELLE La découverte de la radioactivité remonte à 1896 où Becquerel constatait fortuitement qu’une plaque photographique avait été noircie au voisinage de sulfate d’uranyle ; il montra que tous les sels d’Uranium possédaient cette propriété qu’il appelle radioactivité. En 1898, P. et M. Curie faisaient les mêmes observations sur des dérivés du Thorium et extrayait de la pechblende un élément considérablement plus actif, le radium. Ces découvertes valurent conjointement à ces 3 chercheurs le prix Nobel de Physique en 1903. I - DEFINITION La radioactivité consiste, en la transformation spontanée du noyau d’un atome. Au cours de cette transformation, l’un au moins des 3 paramètres fondamentaux de cet atome, nombre de masse A, nombre atomique Z ou niveau énergétique, varie. Schématiquement :
X A'Z'X' + Rayonnement nucléaire
A Z
- X, noyau radioactif est le père nucléaire ou le précurseur si la transformation ne s’arrête pas à X’. - X’ est le descendant nucléaire, qui peut être lui-même radioactif. - le rayonnement nucléaire émis, manifestation extérieure de la radioactivité, peut être particulaire, électromagnétique ou les 2 à la fois.
II - ETUDE CINETIQUE II - 1) Décroissance exponentielle - constante radioactive La désintégration nucléaire est un phénomène aléatoire, tout au plus peut-on définir une probabilité de désintégration par unité de temps, caractéristique du noyau et appelée constante radioactive du noyau ; si : N est le nombre, très grand, de noyaux radioactifs et - dN le nombre de noyau qui se sont désintégrés pendant le temps dt, L’expression :
dN
N dt
(1)
représente cette probabilité ; si de plus : - à l’instant t = 0, il existe N0 noyaux ( ou atome ) radioactifs. N t dN N - et à l’instant ultérieur t, il n’en reste que N : dt Ln t N = N 0 e- t (2) N N0 N0 0
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Graphiquement, la décroissance de la radioactivité, peut se représenter par l’un ou l’autre des 2 graphes, suivant que l’on utilise des coordonnées cartésiennes ou semi-logarithmiques.
Décroissance radioactive II - 2) Période radioactive La période radioactive d’un nucléide (ou d’un atome), représente la durée au bout de laquelle la moitié de sa masse initiale s’est désintégrée. Si pour : - t = 0, N = N0 Ln2 N 1 - t = T, N N0 , (2) (3) Ln Ln t T 2 N0 2 La valeur de la période, pour un nucléide donné, est indépendante des quantités initiales et est extrêmement variable d’une espèce nucléaire à l’autre. II - 3) L’activité nucléaire Quand une source radioactive est le siège de -dN désintégration pendant l’intervalle de temps dt, on dit qu’elle a une activité : A
dN Ln2 N 0 e-t N N dt T
(4)
L’unité légale du S.I. est le Becquerel (Bq), activité d’une source radioactive qui est le siège d’une désintégration par seconde : 1 becquerel = 1 désintégration par seconde En pratique, le nombre de désintégration étant très grand, on utilise le Curie (Ci) et ses sous-multiples : 1 Ci = 3,7.1010 Bq III - FILIATIONS RADIOACTIVES Un radionucléide X peut donner naissance à un nucléide stable Y mais peut aussi produire un noyau qui se désintégrera à son tour en Z ; X est le précurseur, Y et Z sont les descendants nucléaires. Dr Boublenza.H
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III - 1) Cas d’un seul élément de filiation
X ( x ) t=0 t0
N0 Nx (t)
Y ( stable, y = 0 ) 0
Ny (t) dNx = - x Nx dt
- désintégration de X :
- formation de Y avec le même taux :
Nx = N0 e-x t
dNy = + x Nx dt
dNy = x N0 e-x t dt
avec les conditions aux limites, Ny = 0 quand t = 0 : Ny = N0 ( 1 - e-x t ) à chaque instant : Nx + Ny = N0
- élément de filiation III - 2 ) Filiation radioactive Soit un radionucléide précurseur X, donnant naissance à 2 descendants, l’un radioactif Y, l’autre stable Z : X ( x ) t=0
N0
Y ( y )
Z
0
0
pendant l’intervalle de temps dt : - désintégration de X :
dNx = - x Nx dt
- production et désintégration de Y : dNy = x Nx dt - y Ny dt
(1) (2)
dN y x N0 e x t y N y dt
soit
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l’équation (2) admet comme solution :
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N y N0 x e x t e y t y x
(3)
pour t = 0, Ny = 0 et pour t , Ny 0, ce terme passe obligatoirement par une valeur maximum pour : dN y 1 0 tm Ln y dt y x x trois cas particuliers sont importants à étudier pour les applications : les activités des radionucléides X et Y ont pour expressions : Ax = x Nx = x N0 e-xt = A0 e-xt
x t yt Ay = y Ny = yA0 e e
y x
- 1er cas : x y, Le précurseur va se désintégrer très rapidement en radionucléide Y, au bout d’un certain temps, Y se désintègre en Z avec sa propre vitesse, suivant la relation :
Ny N0 x eyt x y
- 2ème cas : x y, Le précurseur va se désintégrer lentement, car sa période est supérieur à celle de sa filiation ; à partir de t = tm : Y
se
désintègre
Ny N0 x ex t y x
à
la
même
vitesse
que
X
:
un équilibre de régime est atteint ; dans ce cas :
y Ny y cte x Nx y x
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- 3ème cas : x y, Le précurseur a une durée de vie très longue vis à vis de sa filiation ; dans ce cas :
y Ny 1 x Nx
c’est l’équilibre radioactif.
x Nx = y Ny = ................ = n Nn
Nx Ny ......= Nn Tx Ty Tn
Cette relation permet de déterminer la période très longue Tx d’un radionucléide à partir de celle, plus brève, d’un nucléide de sa filiation :
Tx Nx Tn Nn IV - FAMILLES RADIOACTIVES Les radioéléments naturels sont essentiellement des éléments lourds, dont les numéro 1 atomiques sont compris entre 81 et 92 , seuls 7 noyaux légers sont radioactifs parmi ceux-ci 1H et 14 6C ont des périodes relativement courtes. Les radionucléides lourds proviennent, par désintégrations successives, de 3 précurseurs, le Thorium, l’Uranium et l’Actinium, constituant 3 familles radioactives. Familles
Symboles
Thorium
232 90
Uranium
238 92
Périodes ( années )
Elément terminal
1,4.1010
208 82
U
4,4.109
206 82
Th
Pb
Pb
Actinium
235 89
Ac
7,1.1010
207 82
Neptunium
237 93
Np
2,2.106
209 83
Pb
Gaz rare 220 86
Rn
A 4n
221 86
4n+2
219 86
4n+3
Rn
Bi
Rn
4n+1
L’évolution des noyaux se fait selon 2 types de réactions : - soit par émission d’une particule alpha () : - soit par émission - :
X AZ--42X' + 42He
A Z
X Z+A1X' + -01e
A Z
Le précurseur doit avoir une période longue, et les descendants des périodes plus courtes, pour qu’un équilibre séculaire soit atteint. Ces 3 familles possèdent en commun les propriétés suivantes : - le terme ultime, stable, est toujours un isotope de Plomb. - chacune possède dans sa filiation un gaz rare, le Radon. - certains nucléides peuvent se désintégrer de 2 manières différentes par émission ou .
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