Où comment corriger un excès de neutrons ou de protons
Exemple d’une désintégration bêta-moins
Un noyau de Cobalt-60, qui contient 33 neutrons et 27 protons, présente un excès de 6 neutrons (représentés en bleu). Pour se débarrasser de cet excès, un neutron se transforme en proton (représenté en rouge). Le noyau est devenu un noyau stable de nickel-60 avec 28 protons (un de plus) et 32 neutrons (un de moins), mais toujours 60 nucléons. Lors de la désintégration, deux corpuscules sont créés, un électron et un antineutrino qui échappe à la détection.
© IN2P3
La radioactivité bêta (β) fut observée sous la forme d’un rayonnement qui était dévié par des champs électriques ou des aimants en sens contraire du rayonnement alpha. Elle est donc portée par des charges électriques négatives. Le physicien anglais J.J. Thomson venait de découvrir en 1897 que l’électricité était transportée par des corpuscules de charge électrique négative, les électrons. Rapidement, le rayonnement bêta fut lui aussi identifié aux électrons.
Il fallut attendre la découverte en 1932 de l’électron positif appelé positon, puis celle de la radioactivité artificielle en 1934, pour mettre en évidence un rayonnement semblable, mais véhiculé par des électrons positifs. On distingue les deux variantes de radioactivité bêta sous les noms de radioactivité bêta-moins et bêta-plus.
La radioactivité bêta est rendue possible par la présence dans le noyau de forces capables de transformer un nucléon d’une espèce dans l’autre (un neutron en proton ou un proton en neutron) : ce sont les forces appelées faibles. Cette transformation ne change pas le nombre de nucléons. Pour compenser le changement de charge un électron ou un positon sont expulsés du noyau. L’émission de l’électron est accompagnée d’une sorte de positon neutre appelé antineutrino, alors que celle du positon l’est d’un électron neutre (un neutrino).
La transformation libère de l’énergie. Son alternative, l’expulsion d’un neutron ou d’un proton n’est énergétiquement possible que pour les noyaux très éloignés de la stabilité.
Une cinématique à trois corps
Lors d’une désintégration bêta, l’énergie disponible se partage entre un noyau qui recule, un électron et un antineutrino. Le noyau étant initialement au repos, la somme des vecteurs quantités de mouvement des trois corps est nulle (pour le noyau, la quantité de mouvement est le produit de sa masse par sa vitesse v). On a représenté ici le cas où les trois quantités de mouvement sont égales en valeur absolue. On voit que l’énergie cinétique (T) et la vitesse du noyau de recul, très massif, sont négligeables. L’énergie disponible (1,16 MeV dans le cas de la désintégration du bismuth-210) se partage entre les deux particules restantes, dans des proportions variables.
© IN2P3
La radioactivité bêta-moins est l’émission d’un électron et d’un antineutrino accompagnant la transformation d’un neutron en proton. La radioactivité bêta-plus, son contraire, est la transformation d’un proton en neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino. Les neutrinos ou antineutrinos sont des particules pratiquement indécelables.
L’excès de neutrons étant beaucoup plus fréquent parmi les noyaux radioactifs naturels que l’excès de protons qui est rare, la radioactivité bêta-moins est de loin la plus observée. On doit à Irène et Frédéric Joliot-Curie d’avoir découvert en 1934 la radioactivité artificielle et synthétisé les premiers radioéléments bêta-plus. On produit aujourd’hui des émetteurs bêta-plus au moyen de petits accélérateurs comme les cyclotrons, pour des applications médicales, comme le fluor-18 qui est utilisé en Tomographie à émission de positons pour le dépistage des cancers. Citons encore l’exemple du carbone-11, qui se transforme en bore-11 au bout de 20,4 minutes en moyenne.
Les périodes radioactives sont généralement beaucoup plus courtes que celles observées avec la radioactivité alpha, et peuvent être même parfois très courtes. Les énergies disponibles lors des désintégrations sont très variables, toujours très inférieures à celle des désintégrations alpha.
Quelques émetteurs bêta-moins existent à l’état naturel, le tritium et le carbone-14 produits dans l’atmosphère par le rayonnement cosmique ou encore le potassium-40 un isotope du potassium à vie très longue dont 4000 noyaux se désintègrent par seconde dans le corps humain. D’autres comme le bismuth-210 sont des descendants de l’uranium. Dans les réacteurs, les produits de la fission nucléaire sont aussi des émetteurs bêta, car ils héritent de l’excédent en neutrons du noyau d’uranium ou de plutonium. Les plus connus sont l’iode-131 et le césium-137.
COMPLÉMENT : Énergie des rayons bêta
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