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.