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La désintégration nucléaire a fourni une fenêtre étonnante sur le domaine du très petit. La désintégration nucléaire a donné la première indication du lien entre la masse et l’énergie, et elle a révélé l’existence de deux des quatre forces fondamentales de la nature. Dans cette section, nous explorons les principaux modes de désintégration nucléaire ; et, comme ceux qui les ont explorés en premier, nous découvrirons des preuves de l’existence de particules et de lois de conservation inconnues jusqu’alors.

Certains nucléides sont stables, apparemment éternels. Les nucléides instables se désintègrent (c’est-à-dire qu’ils sont radioactifs), produisant finalement un nucléide stable après de nombreuses désintégrations. Nous appelons le nucléide d’origine le parent et ses produits de désintégration les filles. Certains nucléides radioactifs se désintègrent en une seule étape vers un noyau stable. Par exemple, le 60Co est instable et se désintègre directement en 60Ni, qui est stable. D’autres, comme le 238U, se désintègrent en un autre nucléide instable, ce qui donne lieu à une série de désintégration dans laquelle chaque nucléide suivant se désintègre jusqu’à ce qu’un nucléide stable soit finalement produit.

La série de désintégration qui commence à partir du 238U est particulièrement intéressante, car elle produit les isotopes radioactifs 226Ra et 210Po, que les Curie ont découvert en premier (voir la figure 1). Elle produit également du gaz radon (222Rn dans la série), un danger naturel de plus en plus reconnu. Le radon étant un gaz noble, il émane de matériaux, tels que le sol, contenant même des traces de 238U et peut être inhalé. La désintégration du radon et de ses produits de filiation provoque des dommages internes. La série de désintégration de 238U se termine par 206Pb, un isotope stable du plomb.

Notez que les filles de la désintégration α montrées dans la figure 1 ont toujours deux protons et deux neutrons de moins que le parent. Cela semble raisonnable, puisque nous savons que la désintégration α est l’émission d’un noyau de 4He, qui possède deux protons et deux neutrons. Les filles de la désintégration β ont un neutron de moins et un proton de plus que leur parent. La désintégration bêta est un peu plus subtile, comme nous allons le voir. Aucune désintégration γ n’est représentée sur la figure, car elle ne produit pas de fille qui diffère du parent.

Décroissance alpha

Dans la désintégration alpha, un noyau de 4He se détache simplement du noyau parent, laissant une fille avec deux protons et deux neutrons de moins que le parent (voir figure 2). Un exemple de désintégration α est illustré à la figure 1 pour le 238U. Le 239Pu est un autre nucléide qui subit une désintégration α. Les équations de désintégration de ces deux nucléides sont

^{238}\text{U}\rightarrow{^{234}}\text{Th}_{92}^{234}+{^4}\text{He}\\

.

et

^{238}\text{Pu}\rightarrow{^{235}}\text{U}+{^4}\text{He}\\\

Si vous examinez le tableau périodique des éléments, vous constaterez que Th a Z = 90, soit deux de moins que U, qui a Z=92. De même, dans la deuxième équation de désintégration, nous voyons que U a deux protons de moins que Pu, qui a Z = 94. La règle générale de la désintégration α s’écrit mieux sous la forme _Z^A\text{X}_N\\\\. Si l’on sait qu’un certain nucléide se désintègre α (en général, cette information doit être recherchée dans un tableau des isotopes, comme dans l’annexe B), son équation de désintégration α est la suivante

_Z^A\text{X}_N\rightarrow{{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\left(\alpha\text{ decay}\right)\\

où Y est le nucléide qui a deux protons de moins que X, comme Th qui en a deux de moins que U. Ainsi, si on vous disait que le 239Pu α se désintègre et qu’on vous demandait d’écrire l’équation complète de la désintégration, vous chercheriez d’abord quel élément a deux protons de moins (un numéro atomique inférieur de deux) et vous trouveriez qu’il s’agit de l’uranium. Puis, puisque quatre nucléons se sont détachés du 239 d’origine, sa masse atomique serait de 235.

Il est instructif d’examiner les lois de conservation liées à la désintégration α. Vous pouvez voir dans l’équation _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\ que la charge totale est conservée. Les moments linéaire et angulaire sont également conservés. Bien que la conservation du moment angulaire ne soit pas d’une grande importance dans ce type de désintégration, la conservation du moment linéaire a des conséquences intéressantes. Si le noyau est au repos lorsqu’il se désintègre, sa quantité de mouvement est nulle. Dans ce cas, les fragments doivent voler dans des directions opposées avec des moments d’égale magnitude afin que le moment total reste nul. Il en résulte que la particule α emporte la majeure partie de l’énergie, comme la balle d’un fusil lourd emporte la majeure partie de l’énergie de la poudre brûlée pour la tirer. La masse-énergie totale est également conservée : l’énergie produite lors de la désintégration provient de la conversion d’une fraction de la masse initiale. Comme discuté dans la physique atomique, la relation générale est E = (∆m)c2.

Ici, E est l’énergie de la réaction nucléaire (la réaction peut être une désintégration nucléaire ou toute autre réaction), et Δm est la différence de masse entre les produits initiaux et finaux. Lorsque les produits finaux ont une masse totale inférieure, Δm est positif, et la réaction libère de l’énergie (elle est exothermique). Lorsque les produits ont une masse totale plus importante, la réaction est endothermique (Δm est négatif) et doit être induite par un apport d’énergie. Pour que la désintégration α soit spontanée, les produits de désintégration doivent avoir une masse plus petite que le parent.

Désintégration bêta

Il existe en fait trois types de désintégration bêta. La première découverte est la désintégration bêta « ordinaire » et est appelée désintégration β- ou émission d’électrons. Le symbole β- représente un électron émis dans la désintégration bêta nucléaire. Le cobalt-60 est un nucléide qui se désintègre en β- de la manière suivante : 60Co → 60Ni + β-+ neutrino.

Le neutrino est une particule émise dans la désintégration bêta qui n’était pas prévue et qui a une importance fondamentale. Le neutrino n’a même pas été proposé en théorie jusqu’à plus de 20 ans après que la désintégration bêta ait été connue pour impliquer des émissions d’électrons. Les neutrinos sont si difficiles à détecter que la première preuve directe de leur existence n’a été obtenue qu’en 1953. Les neutrinos sont pratiquement sans masse, n’ont pas de charge et n’interagissent pas avec les nucléons par le biais de la force nucléaire forte. Voyageant approximativement à la vitesse de la lumière, ils ont peu de temps pour affecter les noyaux qu’ils rencontrent. En effet, étant donné qu’ils n’ont pas de charge (et qu’ils ne sont pas des ondes électromagnétiques), ils n’interagissent pas par le biais de la force électromagnétique. Ils interagissent par le biais de la force nucléaire faible, relativement faible et de très courte portée. Par conséquent, les neutrinos échappent à presque tous les détecteurs et pénètrent presque tous les blindages. Cependant, les neutrinos transportent de l’énergie, un moment angulaire (ce sont des fermions avec un spin semi-intégral) et un moment linéaire à partir d’une désintégration bêta. Lorsque des mesures précises de la désintégration bêta ont été effectuées, il est apparu que l’énergie, le moment angulaire et le moment linéaire n’étaient pas pris en compte par le noyau fils et l’électron seuls. Soit une particule jusqu’alors insoupçonnée les emportait, soit trois lois de conservation étaient violées. Wolfgang Pauli a fait une proposition formelle pour l’existence des neutrinos en 1930. Le physicien américain d’origine italienne Enrico Fermi (1901-1954) a donné aux neutrinos leur nom, qui signifie petits neutres, lorsqu’il a élaboré une théorie sophistiquée de la désintégration bêta (voir figure 3). Une partie de la théorie de Fermi consistait à identifier la force nucléaire faible comme étant distincte de la force nucléaire forte et en fait responsable de la désintégration bêta.

Le neutrino révèle également une nouvelle loi de conservation. Il existe différentes familles de particules, dont la famille des électrons. Nous proposons que le nombre de membres de la famille des électrons soit constant dans tout processus ou tout système fermé. Dans notre exemple de désintégration bêta, aucun membre de la famille des électrons n’est présent avant la désintégration, mais après, il y a un électron et un neutrino. On attribue donc aux électrons un numéro de famille électronique de +1. Le neutrino dans la désintégration β- est un antineutrino de l’électron, représenté par le symbole \bar{\nu}_e\\\, où ν est la lettre grecque nu, et l’indice e signifie que ce neutrino est lié à l’électron. La barre indique qu’il s’agit d’une particule d’antimatière. (Toutes les particules ont des contreparties d’antimatière qui sont presque identiques, sauf qu’elles ont une charge opposée. L’antimatière est presque entièrement absente sur Terre, mais on la trouve dans la désintégration nucléaire et d’autres réactions nucléaires et de particules, ainsi que dans l’espace). L’antineutrino de l’électron \bar{\nu}_e\\\\, étant de l’antimatière, a un numéro de famille électronique de -1. Le total est nul, avant et après la désintégration. La nouvelle loi de conservation, respectée en toutes circonstances, stipule que le nombre total de familles d’électrons est constant. On ne peut pas créer un électron sans créer également un membre de la famille de l’antimatière. Cette loi est analogue à la conservation de la charge dans une situation où la charge totale est initialement nulle, et où des quantités égales de charge positive et négative doivent être créées dans une réaction pour que le total reste nul.

Si un nucléide _Z^A\text{X}_N\\\\ est connu pour se désintégrer β-, alors son équation de désintégration β- est

\text{X}_N\rightarrow\text{Y}_{N-1}+\beta^{-}+\bar{\nu}_e\\\\ (désintégration β-),

où Y est le nucléide ayant un proton de plus que X (voir figure 4). Ainsi, si vous savez qu’un certain nucléide β- se désintègre, vous pouvez trouver le noyau fille en recherchant d’abord Z pour le parent, puis en déterminant quel élément a le numéro atomique Z + 1. Dans l’exemple de la désintégration β- du 60Co donné plus haut, on voit que Z = 27 pour Co et Z = 28 pour Ni. Tout se passe comme si l’un des neutrons du noyau parent se désintégrait en un proton, un électron et un neutrino. En fait, les neutrons à l’extérieur des noyaux font exactement cela – ils ne vivent en moyenne que quelques minutes et se désintègrent β- de la manière suivante :

\text{n}\rightarrow\text{p}+\beta^{-}+\bar{\nu}_e\

Nous voyons que la charge est conservée dans la désintégration β-, puisque la charge totale est Z avant et après la désintégration. Par exemple, dans la désintégration du 60Co, la charge totale est de 27 avant la désintégration, puisque le cobalt a Z = 27. Après la désintégration, le noyau fils est Ni, qui a Z = 28, et il y a un électron, de sorte que la charge totale est également 28 + (-1) ou 27. Le moment angulaire est conservé, mais pas de manière évidente (il faut examiner en détail les spins et les moments angulaires des produits finaux pour le vérifier). Le moment linéaire est également conservé, conférant à nouveau la majeure partie de l’énergie de désintégration à l’électron et à l’antineutrino, puisqu’ils ont respectivement une masse faible et nulle. Une autre nouvelle loi de conservation est respectée ici et ailleurs dans la nature. Le nombre total de nucléons A est conservé. Dans la désintégration du 60Co, par exemple, il y a 60 nucléons avant et après la désintégration. Notez que le nombre total de A est également conservé dans la désintégration α. Notez également que le nombre total de protons change, tout comme le nombre total de neutrons, de sorte que le total Z et le total N ne sont pas conservés dans la désintégration β-, comme ils le sont dans la désintégration α. L’énergie libérée dans la désintégration β- peut être calculée étant donné les masses du parent et des produits.

Le deuxième type de désintégration bêta est moins fréquent que le premier. Il s’agit de la désintégration β+. Certains nucléides se désintègrent par l’émission d’un électron positif. C’est la désintégration antiélectronique ou positronique (voir la figure 5).

L’antiélectron est souvent représenté par le symbole e+, mais dans la désintégration bêta, on l’écrit β+ pour indiquer que l’antiélectron a été émis dans une désintégration nucléaire. Les antiélectrons sont la contrepartie antimatière des électrons, étant presque identiques, ayant la même masse, le même spin, et ainsi de suite, mais ayant une charge positive et un numéro de famille électronique de -1. Lorsqu’un positron rencontre un électron, il se produit une annihilation mutuelle au cours de laquelle toute la masse de la paire antiélectron-électron est convertie en énergie photonique pure. (La réaction, e+ + e- → γ + γ, conserve le nombre de familles d’électrons ainsi que toutes les autres quantités conservées). Si un nucléide _Z^A\text{X}_N\\\\ est connu pour se désintégrer β+, alors son équation de désintégration β+ est

_Z^A\text{X}_N\rightarrow\text{Y}_{N+1}+\beta^{+}+v_e\\ (désintégration β+),

où Y est le nucléide ayant un proton de moins que X (pour conserver la charge) et νe est le symbole du neutrino de l’électron, qui a un numéro de famille électronique de +1. Puisqu’un membre antimatière de la famille des électrons (le β+) est créé lors de la désintégration, un membre matière de la famille (ici le νe) doit également être créé. Étant donné, par exemple, que 22Na β+ se désintègre, vous pouvez écrire son équation de désintégration complète en trouvant d’abord que Z = 11 pour 22Na, de sorte que le nucléide fille aura Z = 10, le numéro atomique du néon. Ainsi, l’équation de la désintégration β+ du 22Na est

_{22}^{11}\text{Na}_{11}\rightarrow{_{10}^{22}}\text{Ne}_{12}+\beta^{+}+v_e\\\

Dans la désintégration β+, tout se passe comme si l’un des protons du noyau parent se désintégrait en un neutron, un positron et un neutrino. Les protons ne font pas cela en dehors du noyau, et la désintégration est donc due aux complexités de la force nucléaire. Notez à nouveau que le nombre total de nucléons est constant dans cette réaction et dans toutes les autres. Pour trouver l’énergie émise dans la désintégration β+, il faut à nouveau compter le nombre d’électrons dans les atomes neutres, puisque ce sont les masses atomiques qui sont utilisées. La fille a un électron de moins que le parent, et une masse électronique est créée lors de la désintégration. Ainsi, dans la désintégration β+,

Δm = m(parent) – ,

puisque nous utilisons les masses des atomes neutres.

La capture d’électrons est le troisième type de désintégration bêta. Ici, un noyau capture un électron de la coquille interne et subit une réaction nucléaire qui a le même effet que la désintégration β+. La capture d’électrons est parfois désignée par les lettres EC. Nous savons que les électrons ne peuvent pas résider dans le noyau, mais il s’agit d’une réaction nucléaire qui consomme l’électron et ne se produit spontanément que lorsque les produits ont une masse inférieure à celle du parent plus l’électron. Si un nucléide _Z^A\text{X}_N\\\\ est connu pour subir une capture d’électrons, alors son équation de capture d’électrons est

_Z^A\text{X}_N+e^{-}\rightarrow\text{Y}_{N+1}+v_e\\\\ (capture d’électrons, ou EC)

Tout nucléide qui peut se désintégrer en β+ peut également subir une capture d’électrons (et fait souvent les deux). Les mêmes lois de conservation sont obéies pour la CE que pour la désintégration β+. Il est bon de les confirmer par soi-même.

Toutes les formes de désintégration bêta se produisent parce que le nucléide parent est instable et se trouve en dehors de la région de stabilité dans le tableau des nucléides. Les nucléides qui ont relativement plus de neutrons que ceux de la région de stabilité vont se désintégrer en β- pour produire une fille avec moins de neutrons, produisant une fille plus proche de la région de stabilité. De même, les nucléides ayant relativement plus de protons que ceux de la région de stabilité vont se désintégrer en β- ou subir une capture d’électrons pour produire une fille avec moins de protons, plus proche de la région de stabilité.

Décomposition gamma

La désintégration gamma est la forme la plus simple de désintégration nucléaire – c’est l’émission de photons énergétiques par des noyaux laissés dans un état excité par un processus antérieur. Les protons et les neutrons d’un noyau excité se trouvent dans des orbitales supérieures, et ils tombent à des niveaux inférieurs par l’émission de photons (par analogie avec les électrons dans les atomes excités). Les états nucléaires excités n’ont généralement qu’une durée de vie d’environ 10-14 s, ce qui indique la grande force des forces qui tirent les nucléons vers des états inférieurs. L’équation de désintégration γ est simplement

_Z^A\text{X}_N^{*}\rightarrow\text{X}_N+\gamma_1+\gamma_2\dots\left(\gamma\text{ decay}\right)\

où l’astérisque indique que le noyau est dans un état excité. Il peut y avoir un ou plusieurs γ s émis, selon la façon dont le nucléide se désexcite. Dans la désintégration radioactive, l’émission de γ est courante et est précédée d’une désintégration γ ou β. Par exemple, lorsque le 60Co β- se désintègre, il laisse le plus souvent le noyau fils dans un état excité, écrit 60Ni*. Puis le noyau de nickel se désintègre rapidement en γ par l’émission de deux γ pénétrants : 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

On les appelle les rayons γ du cobalt, bien qu’ils proviennent du nickel – ils sont utilisés pour la thérapie du cancer, par exemple. Il est à nouveau constructif de vérifier les lois de conservation de la désintégration gamma. Enfin, comme la désintégration γ ne transforme pas le nucléide en une autre espèce, elle ne figure pas en bonne place dans les graphiques des séries de désintégration, comme celui de la figure 1.

Il existe d’autres types de désintégration nucléaire, mais ils se produisent moins fréquemment que les désintégrations α, β et γ. La fission spontanée est la plus importante des autres formes de désintégration nucléaire en raison de ses applications dans l’énergie nucléaire et les armes. Elle est traitée dans le chapitre suivant.

Sommaire de la section

• Lorsqu’un noyau parent se désintègre, il produit un noyau fille en suivant des règles et des lois de conservation. Il existe trois grands types de désintégration nucléaire, appelés alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). L’équation de la désintégration α est _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\.
• La désintégration nucléaire libère une quantité d’énergie E liée à la masse détruite ∆m par E = (∆m)c2.
• Il existe trois formes de désintégration bêta. L’équation de la désintégration β- est _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z+1}^{A}}\text{Y}_{N – 1}+{\beta }^{-}+{\bar{\nu }}_{e}\\.
• L’équation de la désintégration β+ est _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}\text{Y}_{N+1}+{\beta }^{+}+{\nu }_{e}\\.
• L’équation de capture d’électrons est _{Z}^{A}\text{X}_{N}+{e}^{-}\rorrow{_Z – 1}^{A}}\text{Y}_{N+1}+{\nu }_{e}\\\.
• β- est un électron, β+ est un antiélectron ou un positron, {\nu }_{e}\\\\\N- représente le neutrino d’un électron, et {\overline{\nu }}_{e}\N- est l’antineutrino d’un électron. En plus de toutes les lois de conservation connues précédemment, deux nouvelles lois apparaissent : la conservation du nombre de familles d’électrons et la conservation du nombre total de nucléons. L’équation de la désintégration γ est la suivante
  {Z}^{A}{\text{X}}_{N}^{*}\rightarrow{_{Z}^{A}}\text{X}_{N}+{\gamma}_{1}+{\gamma}_{2}+\cdots\\\\\
  γ est un photon de haute énergie provenant d’un noyau.

Glossaire

parent : l’état originel du noyau avant sa désintégration

fille : le noyau obtenu lorsque le noyau parent se désintègre et produit un autre noyau en suivant les règles et les lois de conservation

positron : la particule qui résulte d’une désintégration bêta positive ; également connue sous le nom d’antiélectron

décroissance : processus par lequel le noyau d’un atome instable perd de la masse et de l’énergie en émettant des particules ionisantes

décroissance alpha : type de désintégration radioactive dans laquelle un noyau atomique émet une particule alpha

désintégration bêta : type de désintégration radioactive dans laquelle un noyau atomique émet une particule bêta

désintégration gamma : type de désintégration radioactive au cours de laquelle un noyau atomique émet une particule gamma

équation de désintégration : équation permettant de savoir quelle quantité de matière radioactive il reste après une période donnée

énergie de réaction nucléaire : énergie créée lors d’une réaction nucléaire

neutrino : particule subatomique élémentaire électriquement neutre et en faible interaction

Antineutrino de l’électron : antiparticule du neutrino de l’électron

décroissance du positron : type de désintégration bêta dans lequel un proton est converti en un neutron, libérant un positron et un neutrino

antiélectron : autre terme pour positron

série de désintégration : processus par lequel des nucléides subséquents se désintègrent jusqu’à ce qu’un nucléide stable soit produit

neutrinos de l’électron : particule élémentaire subatomique qui n’a pas de charge électrique nette

antimatière : composée d’antiparticules

capture d’électrons : processus par lequel un nucléide riche en protons absorbe un électron atomique interne et émet simultanément un neutrino

équation de capture d’électrons : équation représentant la capture d’électrons