Stabilité nucléaire et désintégration radioactive

Tableau de Segré ou Carte des nucléides

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• Auteur : Utilisateur Wikimedia Sjlegg
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• Pour les nucléides avec un numéro atomique $Z$ supérieur à 20, plus de neutrons que de protons sont nécessaires pour la stabilisation
• Les neutrons jouent un rôle dans la liaison du noyau en surmontant la répulsion électrique entre les protons

Raisons de la désintégration radioactive

• Seules certaines combinaisons de neutrons et de protons forment des nucléides stables
• Si le nombre de neutrons par rapport au nombre de protons est trop élevé ou trop faible, le nucléide est instable et subit une désintégration radioactive
• Le noyau formé après la désintégration est généralement dans un état excité, libérant de l’énergie sous forme de rayons gamma ou de rayons X

Désintégration bêta ($\beta$-decay)

Désintégration bêta plus ($\beta^+$-decay)

\[p \to n+\beta^+ +\nu_e\]

• Se produit lorsque le nombre de neutrons est relativement insuffisant
• Un proton ($p$) se transforme en neutron ($n$) en émettant un positron ($\beta^+$) et un neutrino électronique ($\nu_e$)
• Le numéro atomique diminue de 1, le nombre de masse reste inchangé

Exemple : $^{23}_{12}\text{Mg} \to\;^{23}_{11}\text{Na} + e^+ + \nu_e$

Désintégration bêta moins ($\beta^-$-decay)

\[n\to p+\beta^- + \overline{\nu}_e\]

• Se produit lorsque le nombre de neutrons est relativement excessif
• Un neutron ($n$) se transforme en proton ($p$) en émettant un électron ($\beta^-$) et un antineutrino électronique ($\overline{\nu}_e$)
• Le numéro atomique augmente de 1, le nombre de masse reste inchangé

Exemple : $^3_1\text{H} \to\;^3_2\text{He} + e^- + \overline{\nu}_e$

Spectre d’énergie des électrons (positrons) émis

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• Auteur : Utilisateur Wikipédia allemand HPaul
• Licence : CC BY-SA 4.0

• Les électrons ou positrons émis lors de la désintégration bêta présentent un spectre d’énergie continu comme ci-dessus.
• Désintégration $\beta^-$ : $\overline{E}\approx 0.3E_{\text{max}}$
• Désintégration $\beta^+$ : $\overline{E}\approx 0.4E_{\text{max}}$

Chaîne de désintégration

Souvent, le nucléide fils formé par désintégration bêta est également instable, ce qui conduit à des désintégrations bêta successives. Cela forme une chaîne de désintégration comme suit :

\[^{20}\text{O} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\text{F} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\text{Ne (stable)}\]

Capture électronique ou capture K

\[p + e \to n + \nu_e\]

• Se produit lorsque le nombre de neutrons est relativement insuffisant
• Capture un électron de la couche la plus interne (couche K) pour convertir un proton du noyau en neutron
• Le numéro atomique diminue de 1, le nombre de masse reste inchangé
• Après la capture électronique, un espace vide se forme dans le nuage électronique, qui est ensuite rempli par un électron extérieur, émettant des rayons X ou des électrons Auger
• Le nucléide fils produit par capture électronique est identique à celui produit par désintégration $\beta^+$, ces deux processus sont donc en compétition.

Désintégration alpha ($\alpha$-decay)

• Émission d’une particule alpha ($\alpha$, $^4_2\text{He}$)
• Le numéro atomique diminue de 2 et le nombre de masse diminue de 4
• Courante pour les noyaux plus lourds que le plomb
• Contrairement à la désintégration bêta, l’énergie des particules alpha émises lors de la désintégration alpha est quantifiée.

Exemple : $^{238}_{92}\text{U} \to\;^{234}_{90}\text{Th} +\; ^4_2\text{He}$

Fission spontanée

• Les nucléides très lourds et instables peuvent subir une fission sans absorption de neutrons
• Incluse au sens large dans la désintégration radioactive

Émission de protons

• Dans le cas de nucléides extrêmement instables avec un excès de protons, un seul proton peut être émis
• Le numéro atomique et le nombre de masse diminuent de 1
• Se produit très rarement

Schéma de désintégration et transition isomère

Schéma de désintégration

Schéma de désintégration : Diagramme visuel représentant toutes les voies de désintégration d’une substance radioactive

Transition isomère

• Les noyaux formés par désintégration radioactive peuvent rester dans un état excité après la transformation, auquel cas ils émettent de l’énergie sous forme de rayons gamma (bien que l’émission de rayons gamma ne change pas le nucléide, on utilise parfois le terme de désintégration gamma par convention).
• La plupart des noyaux excités transitent vers l’état fondamental en émettant des rayons gamma très rapidement, mais dans certains cas, l’émission de rayons gamma est retardée, apparaissant comme un état métastable. Cet état retardé est appelé état isomère du noyau.
• La transition de l’état isomère à l’état fondamental par émission de rayons gamma est appelée transition isomère et est notée IT.

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  • Auteur : Utilisateur Wikimedia britannique Daveturnr
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