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.
2.5 Radioactivité beta et gamma
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
52 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]
Alors, pendant ce module, on est
toujours en train de parler de la physique du noyau des atomes.
Dans la dernière vidéo,
Mercedes vous a expliqué comment fonctionne la désintégration alpha.
Et dans cette vidéo-ci, on va parler des deux autres modes de désintégration des
noyaux, c'est-à-dire la radioactivité du type bêta et gamma.
Les buts de cette vidéo sont de vous mettre en position de pouvoir caractériser
ces désintégrations et leurs propriétés, et de relier ces propriétés avec
les propriétés des interactions faibles et électromagnétiques qui les causent,
pour pouvoir caractériser les désintégrations de ces deux types.
Alors, voici une image qui explique le principe des désintégrations bêta.
Les noyaux qui sont riches en neutrons, c'est-à-dire qui ont un rapport de
nombre de neutrons sur nombre de protons qui est plus grand par rapport à celui
requis par la stabilité, peuvent se transformer en un
noyau plus stable en émettant un électron, par une désintégration dite bêta moins.
Pour conserver le nombre leptonique,
cette émission est accompagnée d'un antineutrino.
Dans le cas contraire, la stabilité peut être acquise par une désintégration
bêta plus, accompagnée d'un neutrino.
Comme le proton est plus léger que le neutron,
ceci est uniquement possible pour des protons liés, c'est-à-dire la Q-value est
rendue positive par un gain en énergie de liaison de ces noyaux.
Des noyaux avec un surplus de protons peuvent aussi capturer un
électron de la couche interne K.
Alors, les autres électrons vont alors descendre en cascade
en émettant un ou plusieurs photons.
Toutes ces intégrations sont caractérisées par, en étant isobares,
c'est-à-dire avec ∆A = 0,
et ∆Z = ±1.
L'énergétique de cette désintégration veut que, comme c'est une désintégration
en trois corps, le spectre de l'énergie de l'électron est une distribution continue,
comme celle qui est montrée dans cette image.
Le neutrino interagit très faiblement avec la matière.
Il a mis longtemps à être découvert, et normalement,
il s'échappera de l'échantillon sans laisser de traces.
Le neutrino et l'antineutrino sont des fermions avec une charge électrique nulle,
comme le photon et le neutron, et une masse presque nulle.
L'énergie maximale de l'électron, indiquée par la petite flèche,
est atteinte quand le neutrino n'a pas beaucoup d'énergie,
c'est-à-dire que pratiquement toute l'énergie
gagnée dans la désintégration est transférée à l'électron.
La valeur maximale s'approche de l'énergie caractéristique
d'une désintégration à deux corps, c'est-à-dire à la Q-value.
Et la mesure de cette énergie maximale sert
à établir une limite supérieure à la masse du neutrino.
A part l'énergie, aussi le timing de cette désintégration est intéressante.
Elle suit la loi de désintégration qui est expliquée,
en plus des détails dans la petite vidéo 2.5a.
Au niveau des quarks, vous vous rappelez que le proton contient deux quarks u
et un quark d, et le neutron contient deux quarks d et un quark u.
Alors, la transition entre les deux est moyennée par l'émission d'un W^-,
par un quark de type d, et le W^- va lui même se
transformer en paire de lepton-antilepton. En l'occurrence, l'énergie
est juste suffisante pour produire un électron et un antineutrino électronique.
Alors, ceci explique comment le neutron se transforme en proton
en émettant un électron et un antineutrino au niveau des quarks.
Il faut dire que le neutrino électronique ici n'est pas identique au neutrino léger,
masse moyenne et lourde que l'on avait introduits dans l'introduction du cours.
C'est en effet un mélange de ces trois particules.
Et on entrera un peu plus dans le détail de ce fait un peu étrange,
à la fois un peu plus tard dans cette vidéo,
et aussi quand on parle des interactions faibles plus tard.
Il n'est même
pas clair si le neutrino et l'antineutrino sont vraiment des particules différentes.
La réponse définitive viendra des expériences sur des intégrations que l'on
appelle double bêta.
C'est-à-dire des désintégrations
où il y a deux protons qui se transforment en neutrons ou vice-versa, simultanément.
Alors, dans le cas à gauche, dans ce schéma graphique, cette émission
se passe comme deux désintégrations bêta, c'est-à-dire, il y a l'émission de
deux électrons, et l'émission de deux neutrinos en même temps.
Si le neutrino et l'antineutrino sont la même particule,
ils peuvent se relier, s'annihiler si vous voulez,
et l'émission peut avoir lieu uniquement en émettant deux électrons.
Ce qui est appelé une désintégration double bêta sans neutrino.
Alors, cette réaction, à droite dans le schéma, est très très
activement recherchée, et vous voyez en bas de l'image, une référence pour
un article relativement récent qui fait un peu le sommaire
de la situation expérimentale sur ces désintégrations double bêta.
Alors, on avait dit que les neutrinos de type électron, et les neutrinos de
type muon et les neutrinos de type tau aussi ne sont pas vraiment des particules.
C'est en effet des superpositions, des mélanges des particules,
qui sont le nu_L, le nu_M et le nu_H, que l'on avait introduit dans l'introduction.
C'est quand même les particules, les états plutôt, nu_e, nu_mu et nu_tau,
qui participent aux interactions faibles, et uniquement ces mélanges-là.
C'est-à-dire que quand vous faites une désintégration bêta moins,
il y a un antineutrino e qui est produit, et non pas un antineutrino L.
La même chose se passe dans le secteur des quarks.
En interactions faibles, le W n'interagit pas avec les quarks d,
s et b, mais avec des superpositions des mélanges de ces particules,
qui sont le s’, le s’ et le b’, que j'ai entré dans ce tableau-là,
parce qu'ils se couplent au boson W.
Cela, c'est une spécialité des interactions faibles,
qui explique peut-être pourquoi il y a trois générations, et non pas une seule,
et on va revenir sur cette question, quand on discute des particularités
des interactions faibles.
Il faut peut-être préciser, ce que je veux dire par une vraie particule.
Qu'est-ce que c'est une vraie particule?
Dans ma façon de penser,
une vraie particule est un état propre de l'opérateur de masse,
c'est-à-dire une particule qui a une masse définitive.
Cette masse peut être nulle comme pour le photon,
mais elle peut être aussi non nulle.
C'est-à-dire un tel état est quelque chose qui se propage dans l'espace-temps,
avec une vitesse qui correspond à son impulsion.
Les particules que vous voyez dans ce tableau,
ou plutôt les états que vous voyez dans ce tableau ne sont pas de telles particules.
Ils sont des superpositions de trois différentes particules.
Alors, je vous rappelle le neutrino de
type électronique est une superposition de nu_L, nu_M et nu_H.
Alors, ceci va nous amener à trouver des particularités de propagation de
ces particules, que l'on va discuter dans le chapitre sur les interactions faibles.
Passons à la troisième de ces types de désintégrations, la désintégration gamma.
Normalement, quand il y a une désintégration alpha ou bêta, le noyau
fils qui sort de cette désintégration va se trouver dans un état excité.
Il va se désexciter, soit en émettant d'autres particules,
soit en faisant ce que l'on appelle une désintégration gamma,
c'est-à-dire émettre un photon pour rentrer à son état fondamental.
Voilà un exemple d'un noyau de bore 12,
qui fait une désintégration bêta moins vers
un noyau de carbone 12, qui se trouve dans un état excité,
et se met dans son état fondamental, en émettant un seul photon.
Ceci nous permet d'avoir une sorte de spectroscopie nucléaire,
qui nous permet d'étudier les états excités des différents noyaux.
Et aussi de faire une sorte d'analyse de composition pour des minéraux.
Et là, vous voyez un exemple de ce fait.
Vous voyez un spectre de photons, qui a des pics très très marqués,
très très étroits.
Ceci est dû au fait que les photons sont émis par un noyau lourd,
qui prend peu de recul, c'est-à-dire que
la largeur de ces lignes est extrêmement restreinte.
Ceci est, en effet, un exemple d'un spectre émis par un minerai d'uranium,
qui permet d'identifier la présence des radionucléides 226Ra,
214Pb, et 214Bi, et la chaîne de désintégration,
qui font tous partie de la chaîne de désintégration de l'uranium 238,
qui lui-même n'émet pas de rayons gamma.
Dans la prochaine vidéo, on va visiter les TPs nucléaires, les travaux pratiques
nucléaires de l'Université de Genève, où on va voir quelques expériences
que nous étudions font avec la radioactivité et des sources radioactives.
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