Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.
2.4 Radioactivité alpha
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
54 notes
À partir de la leçon
Physique nucléaire
Pendant ce deuxième module on parle de la physique du noyau atomique et de ses applications. On visitera les travaux pratiques nucléaire de l’UniGe pour voir les expériences sur la radioactivité. A la fin du module, on visitera un réacteur expérimental à fusion et une centrale nucléaire.
Rencontrer les enseignants
Martin PohlProfesseur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes PanicciaCollaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire
[MUSIQUE] Dans ce deuxième module,
on est en train de faire le tour de la physique du noyau atomique.
Et dans cette vidéo, on va parler de la radioactivité.
On fera d'abord une introduction sur les différents types de radioactivités
qu'on trouve.
Donc, les radioactivités alpha, bêta et gamma.
Et puis, on développera plus en détail la radioactivité alpha.
Les radioactivités bêta et gamma seront traitées dans la prochaine vidéo.
Après avoir regardé cette vidéo, vous devrez savoir
décrire la vallée de stabilité des noyaux, et ses environs,
situer les noyaux instables autour de la vallée de stabilité et
pouvoir caractériser la désintégration alpha des noyaux et ses propriétés.
Donc, un noyau instable peut se transformer en
noyau stable en se désintégrant.
On trouve trois types de désintégration.
La désintégration alpha, qui est une fission spontanée d'un noyau lourd
en noyau plus léger plus une particule alpha,
c'est le nom historique qu'on a donné à l'hélium 4.
Et un deuxième mode de désintégration,
c'est une désintégration bêta, où on transforme un neutron en proton
et on émet ensemble un électron, avec un antineutrino.
Donc, la désintégration bêta peut
aussi se passer comme une transformation de proton en neutron.
Et cette fois-ci on va émettre un positron, avec un neutrino.
Donc, ce sont des désintégrations qui impliquent
des noyaux qui sont soit très riches en neutrons, soit très riches en protons.
Et enfin, le dernier type de désintégration,
c'est la désintégration gamma, où un noyau qui se trouve dans un état excité
tombe vers son état fondamental, qui est plus fortement lié, en émettant un photon.
Souvent, la désintégration gamma suit une désintégration bêta ou alpha préalable.
Donc, voici encore notre graphique de la vallée de stabilité.
Donc la désintégration permet à un noyau de se stabiliser,
parce que son énergie de liaison va augmenter.
Donc, dans ce cas-là, la réaction peut se passer de façon spontanée.
Donc, un noyau lourd peut s'alléger en émettant une particule alpha.
Un noyau qui a un excès de neutrons peut se débarrasser d'un neutron par
désintégration bêta moins.
Un noyau qui est très riche en protons
va se débarrasser d'un proton en se désintégrant bêta plus.
Et des noyaux qui se trouvent dans un état excité
peuvent retrouver leur état fondamental, en émettant un photon.
Donc, toutes ces réactions approchent le noyau de la vallée de la stabilité.
On traitera les détails de la radioactivité
bêta et gamma dans le module 2.5.
Donc, en nature on trouve environ
60 noyaux radioactifs, sur 1’000 isotopes
qu'on peut créer dans les laboratoires, et qui sont radioactifs.
On suppose que, lors de la formation de la Terre,
l'abondance des isotopes radioactifs était semblable.
Dont l'absence en nature de certains isotopes radioactifs,
ceux qui ont un temps de vie court ont aujourd'hui disparu.
Et ceci nous permet d'estimer l'âge de notre système solaire.
C'est comme cela qu'on a estimé l'âge du Soleil à 10 milliards d'années.
On trouve que les noyaux qui sont naturellement radioactifs ont un nombre
atomique Z qui va de 81 à 92.
Ils ont souvent un excès de neutrons, se désintègrent en alpha.
Le noyau fils va être plus riche en neutrons,
donc va faire une désintégration bêta moins.
Un noyau qui peut être encore instable, donc faire encore des désintégrations
alpha, ou si dans un état excité, donc va faire des désintégrations gamma.
Et donc, ce qui arrive c'est, en effet, une chaîne de désintégration.
On a plusieurs désintégrations de différents types qui vont s'enchaîner
l'une après l'autre, jusqu'à atteindre la vallée de stabilité.
Ces chaînes de désintégration produisent des noyaux fils
dont les nombre de nucléons diffèrent progressivement de quatre nucléons
par rapport aux noyaux pères.
Pour cela, on trouve en nature quatre chaînes de désintégration.
La première série, c'est la série du thorium.
C'est la tête de série de cette chaîne de désintégration.
Et, les noyaux qui appartiennent à cette chaîne sont caractérisés
par un nombre de masse A, qui est un multiple entier de 4.
La deuxième série, c'est la série du neptunium, où elle est
caractérisée par le nombre de masse A égal un multiple de (4+1).
Cette série a aujourd'hui disparu, parce que le temps de vie du neptunium 237,
c'est la tête de série, est très courte par rapport à l'âge de l'univers.
La troisième série, c'est la série de l'uranium-radium,
caractérisé par un nombre de masse qui est un multiple entier de (4+2),
où la tête de série c'est l'uranium 238.
Et enfin, la dernière série, c'est la série de l'uranium-actinium,
où le nombre de masse c'est un multiple entier de (4+3),
et la tête de série c'est l'uranium 235.
Dans ce schéma, on vous montre deux de ces séries.
La série du thorium, et la série de l'uranium 238.
En nature,
il existe aussi des chaînes plus courtes, comme la chaîne du carbone 14,
où la tête de série est créée par les rayons cosmiques.
On reviendra sur cette petite chaîne du carbone 14,
quand on parlera de comment on utilise la radioactivité naturelle pour
mesurer l'âge de la matière organique, dans la vidéo 7 de ce même module.
On va maintenant se concentrer sur la désintégration alpha.
Donc, on a un noyau père qui se désintègre en noyau fils,
plus une particule alpha, noyau d'hélium 4.
Ceci correspond à une fission spontanée,
en deux noyaux qui ont une masse très asymétrique.
On peut calculer le bilan énergique de cette réaction,
en considérant que le noyau père est au repos.
Et donc, si on applique la conservation de l'énergie,
on trouve une relation entre les masses du noyau père et les masses du noyau fils,
et les énergies cinétiques des deux noyaux fils.
Ici on peut négliger la masse des électrons,
parce que le nombre d'électrons demeure constant dans cette réaction.
Donc, le gain en énergie de cette réaction, qu'on appelle aussi Q-value,
est donné tout simplement comme différence des masses atomiques du père et
la somme des masses atomiques des fils,
qui revient tout simplement à la somme des énergies cinétiques des noyaux fils.
Le spectre de désintégration alpha révèle des états intermédiaires métastables,
c'est-à-dire que l’on trouve des particules alpha émises,
qui ont des énergies légèrement différentes, mais toujours quantifiées.
Et on a des émissions de photons.
En effet, ce qui arrive, c'est que le noyau père peut se
désintégrer vers des états excités du noyau fils.
Mais aussi, directement vers l'état fondamental.
On aura donc la différence entre la Q-value de
la transition qui porte le noyau père vers l'état fondamental du noyau fils,
et la Q-value de la transition qui porte le noyau père vers un état excité
du noyau fils qui correspond à l'énergie des photons qui sont émis.
L'énergie typique d'une particule alpha qui résulte d'une désintégration
alpha est environ de 5 MeV.
Si on diffuse une particule de cette énergie sur un noyau lourd,
disons avec un nombre de masse d'environ 200,
celle-ci n'arrive pas à rentrer dans le noyau, parce que
la barrière de Coulomb, pour ce noyau lourd, est d'environ 20 à 25 MeV.
Alors, on se demande pourquoi une particule alpha
arrive à sortir du noyau, lors d'une désintégration alpha.
Mais, c'est la mécanique quantique qui nous vient en aide,
et nous explique ce phénomène, par l'effet tunnel.
Si on prend une particule alpha qui est
dans cette barrière de Coulomb, si elle heurte une seule fois la barrière,
elle a une probabilité de 10^-40 d'arriver à sortir de la barrière.
Donc, une seule diffusion ne suffit pas pour la faire sortir.
Si on a une particule alpha par contre qui est liée dans le noyau,
elle aura une énergie cinétique d'environ 44 MeV,
donc une une vitesse qui est 0,15 la vitesse de la lumière.
C'est une vitesse non relativiste, mais quand même importante.
Cette particule sera confinée dans le noyau,
et donc un rayon d'environ 10^-12 centimètres.
Et donc, elle va se heurter à la barrière plusieurs fois, avec une fréquence f,
qu'on peut calculer, et on trouve 6 10^21 fois par seconde.
Et donc, ceci va augmenter sensiblement la probabilité d'émission, lambda.
Et donc, la particule alpha pourra être émise du noyau.
La probabilité d'émission lambda, à côté ici,
va être égale à 2,4 10^-18 1/s.
Son inverse définit le temps de vie.
Et on trouve, pour les noyaux qui sont des émetteurs alpha,
un temps de vie d'environ 10 milliards d'années.
Et ces noyaux, ils vont se désintégrer selon la loi de désintégration,
que vous voyez ici dans la toute dernière équation,
et qu'on va traiter plus en détail, dans le module 2.5a.
Dans la prochaine vidéo,
on va parler de la désintégration bêta, et de la désintégration gamma.
[MUSIQUE]
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