Quels sont les trois types de rayonnement nucléaire

Radiation nucléaire fait référence aux processus par lesquels les noyaux instables deviennent plus stables en émettant des particules énergétiques. Les trois types de rayonnement nucléaire font référence aux rayonnements alpha, bêta et gamma. Pour devenir stable, un noyau peut émettre une particule alpha (un noyau d'hélium) ou une particule bêta (un électron ou un positron). Souvent, perdre une particule de cette façon laisse le noyau dans un état excité. Ensuite, le noyau libère l'excès d'énergie sous la forme d'un photon à rayons gamma.

introduction

Une matière est finalement composée d'atomes. Les atomes, à leur tour, sont constitués de des protons, les neutrons et des électrons. Les protons sont chargés positivement et les électrons sont chargés négativement. Les neutrons ne sont pas chargés. Les protons et les neutrons résident dans la noyau de l'atome, et les protons et les neutrons sont ensemble appelés nucléons. Les électrons se trouvent dans une région autour du noyau, beaucoup plus grande que la taille du noyau lui-même. Dans les atomes neutres, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Dans les atomes neutres, les charges positives et négatives s’annulent, donnant une charge nette nulle.

Structure d'un atome - Les nucléons se trouvent dans la région centrale. Dans la région grise, l'électron peut être trouvé.

Propriétés des protons, neutrons et électrons

Particule	Classification des particules	Masse	Charge
Proton ()	Baryon
Neutron ()	Baryon
Électron ()	Lepton

Notez que le neutron est légèrement plus lourd que le proton.

• Les ions sont des atomes ou des groupes d'atomes qui ont perdu ou gagné des électrons, ce qui leur confère une charge nette positive ou négative. Chaque élément est constitué d'une collection d'atomes ayant le même nombre de protons. Le nombre de protons détermine le type de l'atome. Par exemple, les atomes d’hélium ont 2 protons et les atomes d’or ont 79 protons.
• Isotopes d'un élément se rapportent à des atomes ayant le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Par exemple, le protium, le deutérium et le tritium sont tous des isotopes de l'hydrogène. Ils ont tous un proton chacun. Protium, cependant, n'a pas de neutrons. Le deutérium a un neutron et le tritium en a deux.
• Numéro atomique (numéro de proton) (): le nombre de protons dans le noyau d'un atome.
• Numéro de neutron: Le nombre de neutrons dans le noyau d'un atome.
• Numéro de nucléon (): Le nombre de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau d'un atome.

Notation pour représenter des noyaux

Les noyaux d'un isotope sont souvent représentés sous la forme suivante:

Par exemple, les isotopes d'hydrogène protium, deutérium et tritium sont écrits avec la notation suivante:

, , .

Parfois, le numéro de proton est également émis et seuls le symbole et le numéro de nucléon sont écrits. par exemple.,

, , .

Il n'y a aucun problème à ne pas afficher explicitement le nombre de protons, car le nombre de protons détermine l'élément (symbole). Parfois, un isotope donné peut être désigné avec le nom de l’élément et le numéro de nucléon, par ex. uranium 238.

Masse atomique unifiée

Masse atomique unifiée () est défini comme la masse d'un atome de carbone 12. .

Les trois types de rayonnement nucléaire

Rayonnement alpha bêta et gamma

Comme nous l’avons déjà mentionné, les trois types de rayonnement nucléaire sont les rayons alpha, bêta et gamma. Dans rayonnement alpha, un noyau devient plus stable en émettant deux protons et deux neutrons (un noyau d'hélium). Il existe trois types de rayonnement bêta: le bêta moins, le bêta plus et la capture électronique. Dans rayonnement bêta moins, un neutron peut se transformer en un proton, libérant un électron et un électron antineutrino dans le processus. Dans rayonnement bêta plus, un proton peut se transformer en neutron, en émettant un positron et un antineutrino électronique. Dans capture d'électrons, un proton dans le noyau capture un électron de l'atome, se transforme en neutron et libère un neutrino électronique au cours du processus. Le rayonnement gamma fait référence à l'émission de photons de rayons gamma par des noyaux dans des états excités, afin de les désexciter..

Qu'est-ce que le rayonnement alpha?

Dans rayonnement alpha, un noyau instable émet une particule alpha, ou un noyau d'hélium (c’est-à-dire 2 protons et 2 neutrons), pour devenir un noyau plus stable. Une particule alpha peut être désignée par  ou .

Par exemple, un noyau de polonium-212 subit une désintégration alpha pour devenir un noyau de plomb-208:

Lorsque les désintégrations nucléaires sont écrites sous cette forme, le nombre total de nucléons à gauche doit être égal au nombre total de nucléons à droite. Également,  le nombre total de protons du côté gauche doit être égal au nombre total de protons du côté droit. Dans l'équation ci-dessus, par exemple, 212 = 208 + 4 et 84 = 82 + 2.

Le noyau fille produit par une désintégration alpha a donc deux protons et quatre nucléons de moins que le noyau parent.

En général, pour la désintégration alpha, on peut écrire:

Les particules alpha émises lors de la désintégration alpha ont des énergies spécifiques, qui sont déterminées par la différence de masse des noyaux parents et filles..

Exemple 1

Écrire l'équation de la désintégration alpha de l'américium 241.

L'américium a un numéro atomique de 95. Au cours de la désintégration alpha, le noyau de l'américium émettrait une particule alpha. Le nouveau noyau produit («le noyau fille») aurait deux protons de moins et quatre nucléons de moins. c'est-à-dire qu'il devrait avoir un numéro atomique 93 et ​​un numéro de nucléon 237. Le numéro atomique 93 désigne un atome de neptunium (Np). Alors, nous écrivons,

 

Qu'est-ce que le rayonnement bêta?

Dans le rayonnement bêta, un noyau se désintègre en émettant un électron ou un positron (un positron est la antiparticule de l'électron, ayant la même masse mais la charge opposée). Le noyau ne contient pas d'électrons ni de positrons; Ainsi, tout d'abord, un proton ou un neutron doit être transformé, comme nous le verrons plus loin. Lorsqu'un électron ou un positron est libéré, un neutrino électronique ou un antineutrino électronique est également libéré afin de conserver le nombre de lepton. L'énergie des particules bêta (qui fait référence aux électrons ou aux positrons) pour une désintégration donnée pourrait prendre une plage de valeurs, en fonction de la quantité d'énergie libérée pendant le processus de désintégration qui a été attribuée au neutrino / antineutrino. Selon le mécanisme impliqué, il existe trois types de rayonnement bêta: bêta moins, bêta plus et capture électronique.

Qu'est-ce que le rayonnement bêta moins?

UNE beta moins () particule est un électron. Dans la désintégration bêta moins, un neutron se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino électronique:

Le proton reste dans le noyau tandis que l'électron et l'électron antineutrino sont émis. Le processus bêta moins peut être résumé comme suit:

Par exemple, l'or 202 désintègre les émissions bêta moins:

Qu'est-ce que le rayonnement bêta plus?

UNE beta plus () particule est un positron. Dans la désintégration bêta plus, un proton est transformé en neutron, positron et neutrino:

Le neutron reste dans le noyau tandis que le positron et le neutrino électronique sont émis. Le processus bêta moins peut être résumé comme suit:

Par exemple, un noyau phosphoreux-30 peut subir une désintégration bêta plus:

Qu'est-ce que la capture électronique?

Dans la capture électronique, un proton dans le noyau "capture" l'un des électrons de l'atome, ce qui donne un neutron et un neutrino électronique:

Le neutrino électronique est émis. Le processus de capture d'électrons peut être résumé comme suit:

 Par exemple, Nickel 59 montre la désintégration bêta plus comme suit:

Qu'est-ce que le rayonnement gamma?

Après avoir subi une désintégration alpha ou bêta, le noyau est souvent dans une état d'énergie excité. Ces noyaux se désexcitent alors en émettant un photon gamma et perdent leur excès d’énergie. Le nombre de protons et de neutrons ne change pas au cours de ce processus. Le rayonnement gamma se présente généralement sous la forme:

où l'astérik représente le noyau dans un état excité.

Par exemple, le cobalt 60 peut se désintégrer en nickel 60 via une désintégration bêta. Le noyau de nickel formé est à l'état excité et émet un photon à rayons gamma pour se désexciter:

Les photons émis par les rayons gamma ont également des énergies spécifiques en fonction des états d'énergie spécifiques du noyau.

Propriétés du rayonnement alpha bêta et gamma

Comparativement, les particules alpha ont la masse et la charge les plus élevées. Ils se déplacent lentement comparés aux particules bêta et gamma. Cela signifie que lorsqu'ils voyagent dans la matière, ils sont en mesure d'éliminer les électrons des particules de matière avec lesquelles ils entrent beaucoup plus facilement en contact. Par conséquent, ils ont le plus haut pouvoir ionisant.

Cependant, comme elles causent le plus facilement des ionisations, elles perdent également leur énergie le plus rapidement. En règle générale, les particules alpha ne peuvent traverser que quelques centimètres dans l'air avant de perdre toute leur énergie en raison des particules d'air ionisantes. Les particules alpha ne peuvent pas non plus pénétrer à travers la peau humaine, elles ne peuvent donc causer de dommages tant qu'elles restent à l'extérieur du corps. Cependant, si une matière radioactive émettant des particules alpha est ingérée, cela peut causer beaucoup de dégâts en raison de sa forte capacité à provoquer une ionisation..

Comparativement, les particules bêta (électrons / positrons) sont plus légères et peuvent voyager plus rapidement. Ils ont également la moitié de la charge d'une particule alpha. Cela signifie que leur pouvoir ionisant est inférieur à celui des particules alpha. En fait, les particules bêta peuvent être arrêtées par quelques millimètres de tôle d'aluminium.

Les photons émis par le rayonnement gamma sont non chargés et «sans masse». Lorsqu'ils traversent un matériau, ils peuvent donner de l'énergie aux électrons qui le composent et provoquent des ionisations. Cependant, leur pouvoir ionisant est bien moindre comparé à celui des alpha et bêta. D'autre part, cela signifie que leur capacité à pénétrer dans les matériaux est beaucoup plus grande. Un bloc de plomb de plusieurs centimètres d'épaisseur pourrait réduire l'intensité du rayonnement gamma, mais cela ne suffit pas pour arrêter complètement le rayonnement..

Le tableau ci-dessous compare certaines propriétés des radiations alpha, bêta et gamma.

Propriété	Rayonnement alpha	Rayonnement bêta	Rayonnement gamma
Nature de la particule	Un noyau d'hélium	Un électron / positron	Un photon
Charge			0
Masse			0
Vitesse relative	Lent	Moyen	Vitesse de la lumière
Puissance d'ionisation relative	Haute	Moyen	Faible
Arreté par	Feuille de papier épais	Quelques mm de tôle d'aluminium	(dans une certaine mesure) quelques centimètres d'un bloc de plomb

Références:

Groupe de données sur les particules. (2013). Constantes physiques. Extrait le 24 juillet 2015 du Particle Data Group: http://pdg.lbl.gov/2014/reviews/rpp2014-rev-phys-constants.pdf