1.

Présentation

radioactivité, propriété que certains éléments ont de se transformer spontanément en un autre élément par désintégration du noyau atomique avec émission des particules subatomiques appelées particules alpha ou particules bêta, et / ou de rayonnements électromagnétiques appelés rayons X et rayons gamma.

Le phénomène a été découvert en 1896 par le physicien français Henri Becquerel, qui constata que des composés de l'élément uranium pouvaient noircir une plaque photographique, bien qu'ils soient séparés de celle-ci par du verre ou du papier noir. Il remarqua également que les rayons qui produisent ce noircissement sont capables de décharger un électroscope, indiquant ainsi que ces rayons possèdent une charge électrique. En 1898, les chimistes français Marie et Pierre Curie montrèrent que la radioactivité est un phénomène lié aux atomes, indépendamment de leur état physique ou chimique. La pechblende, minerai contenant de l'uranium, est plus radioactive que les sels d'uranium pur utilisés par Becquerel, ils en déduisirent également que d'autres éléments radioactifs devaient être contenus dans celle-ci. Ils firent subir une série de traitements à la pechblende et aboutirent à la découverte de deux nouveaux éléments radioactifs, le polonium et le radium. Marie Curie découvrit aussi que l'élément thorium est radioactif. En 1899, le chimiste français André Debierne découvrit l'élément radioactif actinium. Dans la même année, le radon, gaz radioactif, fut découvert par les physiciens britanniques Ernest Rutherford et Frederick Soddy, qui l'observèrent en association avec le thorium, l'actinium et le radium.

La radioactivité fut aussitôt reconnue comme une source d'énergie plus importante que celles connues jusqu'alors. Les Curie mesurèrent la chaleur associée à la désintégration du radium et établirent que 1 g de radium dégage environ 420 J/h (100 cal/h). En comparaison, la combustion complète d'1 g de charbon produisait en tout une énergie de 33 600 J (8 000 cal), mais pendant quelques minutes seulement. Après ces premières découvertes, la radioactivité attira l'attention de nombreux scientifiques dans le monde et on commença des recherches très actives sur ce sujet durant les décennies suivantes.

2.

Types de rayonnement

Ernest Rutherford découvrit qu'il existe au moins deux composants dans les émissions radioactives : les particules alpha, qui ne pénètrent que de quelques millièmes de centimètres dans l'aluminium, et les particules bêta, qui sont 100 fois plus pénétrantes. Des expériences, dans lesquelles le rayonnement radioactif était soumis à des champs magnétiques et électriques, montrèrent que la trajectoire des particules bêta est fortement déviée vers le pôle électrique positif, que celle des particules alpha est, dans une moindre mesure, déviée vers le pôle négatif. Ces expériences révélèrent la présence d'une troisième composante, les rayons gamma, plus pénétrants que les particules bêta et ne subissant aucune déviation. Les particules bêta sont donc chargées négativement, les particules alpha sont chargées positivement et sont plus lourdes que les précédentes ; les rayons gamma ne sont pas chargés. Rutherford montra, en provoquant la désintégration d'une substance émettrice de particules alpha près d'un récipient vide en verre fin, que les particules alpha sont en fait des ions d'hélium deux fois chargés. Les particules alpha sont capables de pénétrer le verre et sont retenues dans le récipient. Après quelques jours, la présence de l'élément hélium peut être démontrée par spectroscopie. Par la suite, il a été établi que les particules bêta sont des électrons et que les rayons gamma sont un rayonnement électromagnétique de même nature que les rayons X, mais avec sensiblement plus d'énergie.

La découverte que le radium se désintègre en produisant du radon montra que la désintégration est accompagnée d'un changement de la nature chimique de l'élément.

1.

L'hypothèse nucléaire

Avant la découverte de la radioactivité, les physiciens croyaient l'atome indivisible et qu'il était l'ultime constituant de la matière. Les particules alpha et bêta furent alors reconnues comme des unités discrètes de la matière et la radioactivité comme le processus au cours duquel des atomes radioactifs peuvent se transformer en de nouveaux atomes possédant d'autres propriétés chimiques. Ceci impliquait que les atomes eux-mêmes devaient avoir une structure interne.

Rutherford prouva en 1911 l'existence d'un noyau à l'intérieur de l'atome par des expériences au cours desquelles les particules alpha étaient rétrodiffusées par de fines feuilles de métal. Depuis lors, l'hypothèse nucléaire s'est transformée en une théorie élaborée de la structure atomique capable d'expliquer tout le phénomène de la radioactivité : l'atome est en fait constitué d'un noyau central dense entouré d'un nuage d'électrons. Le noyau, à son tour, est composé de protons, qui sont en nombre égal aux électrons (dans un atome électriquement neutre), et de neutrons. Les neutrons sont électriquement neutres et ont approximativement la même masse que les protons. Lorsqu'un isotope se désintègre par émission alpha, il perd deux protons et deux neutrons qui constituent une particule alpha. Le numéro atomique (nombre de protons) est diminué de deux unités et le nombre de masse (nombre total de nucléons ou nombre de neutrons et de protons), de quatre. Le nombre des charges positives dans le noyau détermine la nature chimique de l'atome ; son nombre de masse détermine l'isotope de l'élément chimique considéré. Par exemple, un atome de l'isotope d'uranium de nombre de masse 238 (uranium-238) qui émet une particule alpha se transforme en atome d'un nombre de masse 234 ; le numéro atomique de l'atome résultant vaut 92 (nombre de charges de l'uranium)-2. Le nouvel atome a donc un numéro atomique de 90 ; c'est, par conséquent, un isotope de l'élément thorium. Voir éléments chimiques ; nucléaire, chimie.

Pendant la désintégration bêta, ou perte d'électron, un noyau atomique peut gagner ou perdre une unité de charge électrique sans changer le nombre de ses nucléons. Ainsi, l'isotope résultant de la désintégration du thorium-234, émetteur bêta, garde le nombre de masse 234, mais prend le numéro atomique 91 : c'est donc un isotope du protactinium.

2.

Rayonnement gamma

En général, l'émission gamma se produit avec les émissions alpha et bêta. Les rayons gamma ne possèdent ni charge ni masse ; l'émission de rayons gamma par un noyau ne s'accompagne pas d'un changement de la nature chimique du noyau, mais correspond plutôt à la perte d'une certaine quantité d'énergie (désexcitation d'un état instable du noyau atomique). La particule primaire alpha ou bêta et un rayon gamma associé sont généralement émis quasi simultanément. Quelques cas d'émissions alpha et bêta non accompagnées de rayons gamma sont toutefois connus ; certains isotopes produisent une émission gamma pure.

Les particules alpha ou bêta sont éjectées de leur noyau d'origine à des vitesses vertigineuses. Elles sont ralenties et stoppées au passage dans la matière, principalement par l'interaction avec les électrons présents dans cette dernière, et provoquent la formation de plusieurs ions.

De plus, les particules alpha émises par une même substance sont éjectées pratiquement toutes à la même vitesse. Ainsi, les particules alpha provenant du polonium-210 parcourent 3,8 cm dans l'air avant d'être complètement arrêtées et celles émises par le polonium-212 parcourent 8,5 cm dans les mêmes conditions. La mesure de la distance parcourue par les particules alpha est utilisée pour identifier les isotopes.

Les particules bêta sont éjectées à des vitesses supérieures à celles des particules alpha et pénètrent plus profondément dans la matière. Toutefois, les particules bêta peuvent être émises à des vitesses variables pour un même isotope et les émetteurs bêta ne peuvent être différenciés que par les vitesses maximales et moyennes caractéristiques de leurs particules bêta. Cette distribution en énergie des particules bêta a nécessité l'hypothèse de l'existence d'une particule non chargée, de masse quasi nulle, appelée neutrino, qui accompagne toute désintégration bêta.

Les rayons gamma ont une portée plusieurs fois supérieure à celle des particules bêta et peuvent, dans certains cas, traverser plusieurs centimètres de plomb. Les rayons gamma ne portent pas de charge et ne peuvent pas causer d'ionisation aussi facilement que les particules alpha ou bêta. Les rayons bêta produisent 1/100 à 1/200 de l'ionisation générée par les rayons alpha par centimètre de leur trajectoire ; cette ionisation est particulièrement facile à observer quand la matière est gazeuse. Les rayons gamma produisent 1/100 environ de l'ionisation des rayons bêta. Les compteurs de Geiger-Müller et autres chambres d'ionisation (voir particules, détecteurs de), fondés sur ce principe, sont utilisés pour détecter les quantités respectives des rayons alpha, bêta et gamma. L'unité officielle de mesure de la radioactivité est le Becquerel (Bq) : une désintégration par seconde. Voir radiations, effets biologiques des.

Il existe d'autres modes de désintégration en plus des trois mentionnés ci-dessus.

Quelques isotopes peuvent émettre des positrons, particules identiques aux électrons, mais de charge opposée. Le processus d'émission des positrons est également considéré comme une désintégration bêta et est nommé « émission bêta-plus » pour la distinguer de l'habituelle émission d'électrons négatifs. L'émission des positrons se réalise par la conversion, dans le noyau, d'un proton en neutron, entraînant ainsi une diminution du numéro atomique d'une unité.

Un autre mode de désintégration, connu sous le nom de capture d'électron K, consiste en la capture d'un électron par le noyau, suivie de la transformation d'un proton en neutron. Ici aussi, le résultat final est la diminution d'une unité de numéro atomique de l'élément de départ. Le processus n'est observable que parce que le départ d'un électron de son orbite s'accompagne de l'émission d'un rayon X.

Certains isotopes, notamment l'uranium-235 et plusieurs isotopes des éléments transuraniens artificiels, sont capables de désintégration par un processus de fission spontanée au cours de laquelle le noyau se divise (voir nucléaire, énergie) en deux fragments.

Enfin, au milieu des années quatre-vingt, un mode de désintégration unique en son genre a été observé : les isotopes de radium de masses 222, 223 et 224 émettent un noyau de carbone-14 à la place de la désintégration habituelle, avec émission de rayonnement alpha.

3.

Période radioactive

Certaines substances montrent une diminution sensible de la quantité spécifique de désintégrations avec le temps. Parmi elles, le thorium-234 (initialement appelé uranium X) qui, après être séparé de l'uranium, perd la moitié de son intensité radioactive initiale en vingt-cinq jours. Chaque substance radioactive a une période de désintégration caractéristique, la période radioactive ou temps de demi-vie ; la période radioactive de certains isotopes, comme l'U-238 ou le Th-232, est tellement longue (plusieurs milliards d'années) que leur taux de désintégration n'est pas détectable avec les méthodes actuelles.

4.

Chaîne de désintégration radioactive

Lorsque l'uranium-238 se désintègre par l'émission de rayons alpha, il se transforme en thorium-234 ; le thorium-234 est un émetteur de particules bêta ; il se désintègre pour former le protactinium-234. Ce dernier émet à son tour des particules bêta pour former un nouvel isotope d'uranium, l'uranium-234. Celui-ci se désintègre avec émission de particules alpha pour former le thorium-230, qui se désintègre à son tour en émettant des particules alpha pour aboutir au radium-226. Cette chaîne de désintégration, appelée série uranium-radium, continue de la même façon via cinq autres émissions alpha et quatre émissions bêta avant qu'il se forme un produit final stable (non radioactif), l'isotope de plomb (élément 82) de masse 206. Tout élément situé entre l'uranium et le plomb dans la classification périodique est représenté dans cette chaîne et chaque isotope se distingue par une période radioactive caractéristique. Il existe d'autres séries radioactives naturelles : la série du thorium, qui commence avec le thorium-232 et dont le produit final est l'isotope stable de plomb-208, la série de l'actinium, qui commence par l'uranium-235 (nommé actinouranium par les premiers chercheurs) et se termine par le plomb-207. Une quatrième série, dont tous les membres sont artificiellement radioactifs, a été découverte ces dernières années. Son membre initial est le curium-241, isotope de l'élément artificiel curium. La série contient l'isotope de l'élément neptunium ayant la plus longue période radioactive et a pour élément final le thallium-205 (et non le bismuth-209, qui est radioactif — période radioactive de 19 milliards de milliards d’années).

Une application intéressante des connaissances sur les éléments radioactifs est la datation d'échantillons géologiques, préhistoriques ou archéologiques, qui s'opère en déterminant les concentrations relatives entre les membres initiaux et finaux d'une série de désintégration connue (voir datation, méthodes de). Ces méthodes évaluent l'âge de la terre à environ 4,6 milliards d'années. Des valeurs similaires ont été obtenues pour les météorites tombées sur la surface de la Terre, ainsi que pour les échantillons ramenés de la Lune par la mission Apollo 11 en juillet 1969, indiquant ainsi que tous les composants du Système solaire se sont formés en même temps.

5.

Radioactivité artificielle

Tous les isotopes existant à l'état naturel et situés au-delà du plomb dans la classification périodique sont radioactifs. Il faut compter, en plus, les isotopes naturels radioactifs des éléments suivants : thallium, vanadium, indium, néodyme, gadolinium, hafnium, platine, plomb, rhénium, lutécium, rubidium, potassium, hydrogène, carbone, lanthane et samarium. En 1919, Rutherford réalisa la première réaction nucléaire artificielle en bombardant le gaz d'azote ordinaire (azote-14) avec des particules alpha : il remarqua que les noyaux d'azote capturent des particules alpha, émettent des protons très rapidement et forment un isotope stable d'oxygène, l'oxygène-17. Cette réaction peut s'écrire symboliquement comme suit :

¨N + ¸He → ©O + §H

où les numéros atomiques des noyaux participants sont écrits conventionnellement en bas et à gauche des symboles chimiques et leurs nombres de masse en exposant, à gauche des symboles chimiques. Dans la réaction ci-dessus, la particule alpha est représentée par le noyau d'hélium, le proton par le noyau d'hydrogène.

Jusqu'en 1933, on n'avait pas encore démontré que de telles réactions nucléaires peuvent conduire à la formation de nouveaux noyaux radioactifs. En 1933, les chimistes français Irène et Frédéric Joliot-Curie préparèrent la première substance artificielle en bombardant de l'aluminium avec des particules alpha. Les noyaux d'aluminium capturent des particules alpha et émettent ensuite des neutrons, ce qui mène logiquement à la formation d'un isotope de phosphore, qui se désintègre en émettant un positron et qui possède une période radioactive très courte. Les Joliot-Curie produisirent également un isotope d'azote à partir du bore et un isotope d'aluminium à partir du magnésium. Depuis, un grand nombre de réactions nucléaires ont été découvertes et des noyaux d'éléments du tableau périodique ont été bombardés avec des particules différentes, telles que les particules alpha, les protons, les neutrons et les deutérons (noyau de deutérium, l'isotope d'hydrogène de masse 2). Résultat de cette recherche intensive : plus de 400 substances radioactives artificielles sont connues de nos jours. Cette recherche a pu être menée grâce au développement des accélérateurs de particules, qui accélèrent celles-ci à des vitesses considérables, augmentant ainsi la probabilité de leur capture par les noyaux cibles.

L'étude approfondie des réactions nucléaires et la recherche sur les nouvelles substances radioactives artificielles, en particulier parmi les éléments lourds, sont à l'origine de la découverte de la fission nucléaire et du développement subséquent de la bombe atomique (voir nucléaire, énergie ; nucléaires, armes). Les recherches ont également conduit à la découverte de plusieurs nouveaux éléments qui n'existent pas dans la nature. Le développement des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules a rendu possible la production d'un large éventail d'isotopes radioactifs de presque tous les éléments du tableau périodique ; l'existence de ces isotopes est une aide inestimable dans la recherche chimique, biologique et médicale (voir traceurs isotopiques). Le carbone-14, qui a une période radioactive de 5 730 ± 40 années, est d'une grande importance parmi les isotopes radioactifs produits artificiellement. La disponibilité de cette substance a rendu possible la recherche fondamentale sur de nombreux aspects des mécanismes de la vie, photosynthèse par exemple. Le carbone-14 est également très important pour estimer l'âge d'échantillons archéologiques ou préhistoriques ayant contenu des organismes vivants. Voir datation, méthodes de.

Dans l'analyse par activation des neutrons, une substance est rendue radioactive dans un réacteur nucléaire. Une quantité d'impuretés trop faible pour pouvoir être détectée par d'autres méthodes peut ainsi être mise en évidence, grâce à sa signature radioactive, après avoir été activée par les neutrons.

Il existe d'autres applications des isotopes radioactifs dans la thérapie médicale (voir radiologie), dans la radiographie industrielle et dans des appareils spéciaux tels que les sources de lumière phosphorescente, les éliminateurs statiques, les indicateurs d'épaisseur et les batteries nucléaires.