Les rayons bêta n’ont pas tous la même énergie
L’énergie libérée lors d’une désintégration bêta se partage entre trois participants : le noyau qui recule, l’électron et l’antineutrino. Le noyau, dont la masse est très lourde par rapport aux deux autres participants, n’emporte pratiquement pas d’énergie. L’électron emporte en moyenne un peu moins de la moitié de l’énergie disponible.
Dans le cas rare d’une désintégration bêta plus, c’est le positon qui joue le rôle de l’électron, un neutrino celui de l’antineutrino, mais le scénario et le partage sont similaires.
Une distribution de l’énergie à trois corps
Dans une désintégration bêta comme celle d’un noyau de bismuth-210, le partage d’énergie se fait entre les trois produits de la désintégration. L’un des trois, le noyau, beaucoup plus massif que les deux autres (sa masse est 382 000 fois celle de l’électron), emporte une énergie négligeable : l’énergie cinétique se partage donc entre l’électron et l’antineutrino. Comme ce dernier échappe à la détection, on n’observe qu’un électron d’énergie variable. La figure montre la répartition en énergie caractéristique des électrons bêta – dite spectre bêta – de la désintégration du bismuth-210.
© IN2P3
La répartition en énergie des électrons – appelée spectre bêta – présente une forme caractéristique. Dans le partage de l’énergie, la part emportée par le noyau émetteur est négligeable de telle sorte que dans la pratique le partage est entre l’électron bêta et l’antineutrino. L’énergie de l’électron est maximale quand il emporte toute l’énergie de la désintégration. Elle devient nulle, quand c’est l’antineutrino.
La forme du spectre bêta est très asymétrique. L’antineutrino dont la masse est quasi nulle voyage à la vitesse de la lumière. Il emporte davantage d’énergie en moyenne que l’électron qui est lourd en comparaison malgré son extrême légèreté. En conséquence peu d’électrons bêta approchent l’énergie maximale permise, alors que la majorité sont peu énergiques.
La forme du spectre est bénéfique pour la radioprotection, car la prédominance des bêta les moins énergiques les rend plus faciles à arrêter.
Valeurs moyennes des énergie des bêta
Les électrons bêta n’ayant pas une énergie unique pour un émetteur donné, on compare les émetteurs entre eux par leur énergie moyenne. Ces énergies sont très variables : par exemple l’énergie des bêta du tritium est plus de cent fois plus faible que ceux du phosphore-32. Les énergies moyennes, généralement inférieures au MeV, sont très inférieures à celles des alpha (plus de 4 MeV). Les durées de vie (périodes) sont également beaucoup plus courtes, à l’exception du potassium-40.
© IN2P3
En radioprotection, on s’intéressera davantage à l’énergie moyenne des électrons bêta qu’à leur énergie maximale. Cette énergie moyenne varie dans de grandes proportions, allant de 5,69 keV pour le tritium à 695 keV pour un puissant émetteur bêta comme le phosphore-32. Les énergies bêta sont toujours aussi très inférieures aussi à celles des désintégrations alpha qui sont supérieures à 4000 keV (4 MeV).
La désintégration bêta est souvent accompagnée de l’émission de rayons gamma de désexcitation. Cette émission diminue d’autant l’énergie à partager entre l’électron et l’antineutrino. Par exemple l’énergie disponible dans la désintégration bêta du césium-137 est de 1176 keV, mais dans 95 % des cas la désintégration est accompagnée d’un gamma caractéristique de 662 keV auquel cas l’énergie disponible n’est plus que de 514 keV. Le spectre bêta observé est donc la somme à raison de 5% et 95 % des spectres correspondant à ces deux modes
Du fait du phénomène de conversion interne, les gamma peuvent également transmettre leur énergie à des électrons du cortège de l’atome, qui ne sont pas à proprement parler des électrons bêta.
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