Relation entre la désintégration radioactive et la demi-vie

Certains isotopes naturels sont instables en raison du nombre déséquilibré de protons et de neutrons dans leur noyau d'atomes. Par conséquent, pour devenir stables, ces isotopes subissent un processus spontané appelé décroissance radioactive. La désintégration radioactive provoque la conversion d'un isotope d'un élément particulier en isotope d'un élément différent. Cependant, le produit final de la désintégration radioactive est toujours stable par rapport à l'isotope initial. La décroissance radioactive d'une certaine substance est mesurée par un terme spécial appelé demi-vie. Le temps mis par une substance à atteindre la moitié de sa masse initiale par décroissance radioactive est mesuré par la demi-vie de cette substance. C'est la relation entre la désintégration radioactive et la demi-vie.

Zones clés couvertes

1. Qu'est-ce que la désintégration radioactive?
      - Définition, mécanismes, exemples
2. Quelle est la moitié de la vie
      - Définition, explication avec des exemples
3. Quelle est la relation entre la désintégration radioactive et la demi-vie
      - Décomposition radioactive et demi-vie

Termes clés: demi-vie, isotopes, neutrons, protons, désintégration radioactive

Qu'est-ce que la désintégration radioactive?

La désintégration radioactive est le processus par lequel les isotopes instables subissent une désintégration par émission de radiations. Les isotopes instables sont des atomes ayant des noyaux instables. Un atome peut devenir instable pour plusieurs raisons, telles que la présence d’un nombre élevé de protons dans les noyaux ou d’un nombre élevé de neutrons dans les noyaux. Ces noyaux subissent une désintégration radioactive pour devenir stables.

S'il y a trop de protons et de neutrons, les atomes sont lourds. Ces atomes lourds sont instables. Par conséquent, ces atomes peuvent subir une désintégration radioactive. D'autres atomes peuvent également subir une désintégration radioactive en fonction de leur rapport neutron: proton. Si ce rapport est trop élevé, il est riche en neutrons et instable. Si le rapport est trop faible, il s'agit d'un atome riche en protons et instable. La désintégration radioactive de substances peut se produire de trois manières principales.

• Emission Alpha / Decay
• Emission Beta / Decay
• Emission / Décroissance Gamma

Emission Alpha

Une particule alpha est identique à un atome d’hélium. Il est composé de 2 protons et de 2 neutrons. La particule alpha porte une charge électrique de +2 car il n'y a pas d'électrons pour neutraliser les charges positives de 2 protons. La désintégration alpha entraîne la perte de 2 protons et de 2 neutrons par les isotopes. Par conséquent, le numéro atomique d'un isotope radioactif est diminué de 2 unités et la masse atomique de 4 unités. Les éléments lourds tels que l'uranium peuvent subir une émission alpha.

Émission bêta

Dans le processus d'émission bêta (β), une particule bêta est émise. Selon la charge électrique de la particule bêta, il peut s'agir d'une particule bêta chargée positivement ou d'une particule bêta chargée négativement. Si c'est β^- émission, alors la particule émise est un électron. Si c'est une émission β +, alors la particule est un positron. Un positron est une particule ayant les mêmes propriétés qu'un électron, à l'exception de sa charge. La charge du positron est positive alors que la charge de l'électron est négative. Dans l'émission bêta, un neutron est converti en un proton et un électron (ou un positron). Par conséquent, la masse atomique ne serait pas modifiée, mais le numéro atomique est augmenté d'une unité.

Emission Gamma

Les rayons gamma ne sont pas des particules. Par conséquent, les émissions gamma ne changent ni le numéro atomique ni la masse atomique d'un atome. Le rayonnement gamma est composé de photons. Ces photons ne transportent que de l'énergie. Par conséquent, les émissions de gamma amènent les isotopes à libérer leur énergie.

Figure 1: Désintégration radioactive de l'uranium 235

L'uranium 235 est un élément radioactif que l'on trouve naturellement. Il peut subir les trois types de désintégration radioactive dans différentes conditions.

Quelle est la moitié de la vie

La demi-vie d'une substance est le temps pris par cette substance pour atteindre la moitié de sa masse ou de sa concentration initiale par décroissance radioactive. Ce terme est donné le symbole t_1/2. Le terme demi-vie est utilisé car il est impossible de prédire quand un atome individuel pourrait se désintégrer. Mais, il est possible de mesurer le temps pris à la moitié des noyaux d'un élément radioactif.

La demi-vie peut être mesurée en fonction du nombre de noyaux ou de la concentration. Différents isotopes ont différentes demi-vies. Par conséquent, en mesurant la demi-vie, nous pouvons prédire la présence ou l'absence d'un isotope particulier. La demi-vie est indépendante de l'état physique de la substance, de la température, de la pression ou de toute autre influence extérieure.

La demi-vie d'une substance peut être déterminée à l'aide de l'équation suivante.

dans(N_t / N_o) = Kt

où,

N_t est la masse de la substance après le temps t

N_o est la masse initiale de la substance

K est la constante de désintégration

t est le moment considéré

Figure 02: Une courbe de
Désintégration radioactive

L'image ci-dessus montre une courbe de décroissance radioactive pour une substance. Le temps est mesuré en années. Selon ce graphique, le temps nécessaire à la substance pour devenir 50% de la masse initiale (100%) est d'un an. Le 100% devient 25% (un quart de la masse initiale) après deux ans. Par conséquent, la demi-vie de cette substance est d'un an.

100% → 50% → 25% → 12.5% ​​→ →   →

             (1^st Half Life 2^{Dakota du Nord} Half-Life 3^rd demi vie)

Le graphique ci-dessus a résumé les détails du graphique.

Relation entre la désintégration radioactive et la demi-vie

Il existe une relation directe entre la désintégration radioactive et la demi-vie d'une substance radioactive. Le taux de décroissance radioactive est mesuré en équivalents de demi-vie. De l'équation ci-dessus, nous pouvons déduire une autre équation importante pour le calcul du taux de décroissance radioactive.

ln (N_t / N_o) = Kt

puisque la masse (ou le nombre de noyaux) est la moitié de sa valeur initiale après une demi-vie,

N_t = N_o/ 2

ensuite,

ln (N_o/ 2 / N_o) = Kt_1/2

ln (1/2 / 1) = kt_1/2

ln (2) = kt_1/2

Donc,

t_1/2   = Ln2 / k

La valeur de ln2 est 0,693. ensuite,

t_1/2   = 0,693 / k

Ici, t_1/2 est la demi-vie d'une substance et k est la constante de décroissance radioactive. L'expression dérivée ci-dessus indique que les substances hautement radioactives passent rapidement et que les substances faiblement radioactives mettent plus de temps à se désintégrer complètement. Par conséquent, une longue demi-vie indique une décroissance radioactive rapide, tandis qu'une courte demi-vie indique un jour radioactif lent. La demi-vie de certaines substances ne peut pas être déterminée car il peut s'écouler des millions d'années avant de subir une désintégration radioactive.

Conclusion

La désintégration radioactive est le processus par lequel les isotopes instables subissent une désintégration par émission de radiations. Il existe une relation directe entre la désintégration radioactive d'une substance et la demi-vie, puisque le taux de désintégration radioactive est mesuré par les équivalents de la demi-vie..

Références:

1. “Demi-vie de la désintégration radioactive - Boundless Open Textbook.” Boundless. 26 mai 2016. Web. Disponible ici. 01 août 2017. 
2. «Le processus de désintégration radioactive naturelle». N.p., n.d. Web. Disponible ici. 01 août 2017. 

Courtoisie d'image:

1. «Décomposition radioactive» Par Kurt Rosenkrantz de PDF. (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia