La radioactivité est l’émission de rayonnements par des noyaux instables. Ce rayonnement peut exister sous forme de particules subatomiques (principalement des particules alpha et bêta) ou sous forme d’énergie (principalement des rayons gamma).
La radioactivité a été découverte accidentellement en 1896 par le physicien français Henri Becquerel (1852-1908). Dans les décennies qui ont suivi la découverte de Becquerel, la recherche sur la radioactivité a produit des percées révolutionnaires dans notre compréhension de la nature de la matière et a conduit à un certain nombre d’applications pratiques importantes. Ces applications comprennent une foule de nouveaux dispositifs et techniques allant des armes nucléaires et des centrales nucléaires aux techniques médicales qui peuvent être utilisées pour diagnostiquer et traiter des maladies graves.
Noyaux stables et instables
Le noyau de tous les atomes (à l’exception de l’hydrogène) contient un ou plusieurs protons et un ou plusieurs neutrons. Le noyau de la plupart des atomes de carbone, par exemple, contient six protons et six neutrons. Dans la plupart des cas, les noyaux des atomes sont stables, c’est-à-dire qu’ils ne subissent pas de modifications par eux-mêmes. Un noyau de carbone aura exactement la même apparence dans cent ans (ou dans un million d’années) qu’aujourd’hui.
Mais certains noyaux sont instables. Un noyau instable est un noyau qui subit spontanément un changement interne. Lors de ce changement, le noyau émet une particule subatomique, ou un éclat d’énergie, ou les deux. Par exemple, un isotope du carbone, le carbone 14, a un noyau composé de six protons et de huit neutrons (au lieu de six). On dit d’un noyau qui dégage une particule ou de l’énergie qu’il subit une désintégration radioactive, ou simplement une désintégration.
Mots à connaître
Particule alpha : Le noyau d’un atome d’hélium, composé de deux protons et de deux neutrons.
Particule bêta : Un électron émis par un noyau atomique.
Rayon gamma : Une forme de rayonnement électromagnétique de haute énergie.
Isotopes : Deux ou plusieurs formes d’un élément ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons dans leurs noyaux atomiques.
Noyau (atomique) : Le noyau d’un atome, généralement constitué d’un ou plusieurs protons et neutrons.
Décroissance radioactive : Processus par lequel un noyau atomique émet un rayonnement et se transforme en un nouveau noyau.
Famille radioactive : Groupe d’isotopes radioactifs dans lequel la désintégration d’un isotope entraîne la formation d’un autre isotope radioactif.
Noyau stable : Un noyau atomique qui ne subit aucune modification spontanée.
Particule subatomique : Unité de base de matière et d’énergie (proton, neutron, électron, neutrino et positron) plus petite qu’un atome.
Noyau instable : Un noyau atomique qui subit spontanément un certain changement interne.
Les scientifiques ne savent pas exactement ce qui rend un noyau instable. Il semble que certains noyaux contiennent un nombre excessif de protons ou de neutrons ou une quantité excessive d’énergie. Ces noyaux rétablissent ce qui doit être pour eux un équilibre correct de protons, de neutrons et d’énergie en dégageant une particule subatomique ou un éclat d’énergie.
Dans ce processus, le noyau change sa composition et peut en fait devenir un noyau entièrement différent. Par exemple, dans sa tentative d’atteindre la stabilité, un noyau de carbone 14 émet une particule bêta. Après avoir perdu la particule bêta, le noyau de carbone 14 est constitué de sept protons et de sept neutrons. Mais un noyau composé de sept protons et de sept neutrons n’est plus un noyau de carbone. C’est maintenant le noyau d’un atome d’azote. En dégageant une particule bêta, l’atome de carbone 14 s’est transformé en atome d’azote.
Types de rayonnement
Les formes de rayonnement les plus couramment émises par un noyau radioactif sont appelées particules alpha, particules bêta et rayons gamma. Une particule alpha est le noyau d’un atome d’hélium. Il est constitué de deux protons et de deux neutrons. Prenons le cas d’un atome de radium-226. Le noyau d’un atome de radium-226 est composé de 88 protons et de 138 neutrons. Si ce noyau émet une particule alpha, il doit perdre les deux protons et les deux neutrons dont la particule alpha est constituée. Après émission de la particule alpha, le noyau restant ne contient plus que 86 protons (88 – 2) et 136 neutrons (138 – 2). Ce noyau est le noyau d’un atome de radon, et non d’un atome de radium. En émettant une particule alpha, l’atome de radium-226 s’est transformé en un atome de radon.
L’émission de particules bêta par les noyaux a été une source de confusion pour les scientifiques pendant de nombreuses années. Une particule bêta est un électron. Le problème est que les électrons n’existent pas dans les noyaux des atomes. On peut les trouver à l’extérieur du noyau, mais pas à l’intérieur. Comment est-il possible, alors, qu’un noyau instable dégage une particule bêta (électron) ?
La réponse est que la particule bêta est produite lorsqu’un neutron à l’intérieur du noyau atomique se brise pour former un proton et un électron :
neutron → proton + électron
Rappelons qu’un proton porte une seule charge positive et l’électron une seule charge négative. Cela signifie qu’un neutron, qui ne porte aucune charge électrique, peut se briser pour former deux nouvelles particules (un proton et un électron) dont les charges électriques s’additionnent pour faire zéro.
Repensez à l’exemple du carbone 14, mentionné précédemment. Un noyau de carbone-14 se désintègre en dégageant une particule bêta. Cela signifie qu’un neutron du noyau de carbone 14 se sépare pour former un proton et un électron. L’électron est libéré sous la forme d’un rayon bêta et le proton reste dans le noyau. Le nouveau noyau contient sept protons (ses six originaux plus un nouveau proton) et sept neutrons (ses huit originaux réduits par la décomposition d’un).
La perte d’une particule alpha ou d’une particule bêta d’un noyau instable est souvent accompagnée de la perte d’un rayon gamma. Un rayon gamma est une forme de rayonnement de haute énergie. Il est similaire à un rayon X mais d’une énergie un peu plus grande. Certains noyaux instables peuvent se désintégrer par l’émission de rayons gamma uniquement. Lorsqu’ils ont perdu l’énergie emportée par les rayons gamma, ils deviennent stables.
Radioactivité naturelle et synthétique
De nombreux éléments radioactifs existent dans la nature. En fait, tous les éléments plus lourds que le bismuth (numéro atomique 83) sont radioactifs. Ils n’ont pas d’isotopes stables.
Les plus lourds des éléments radioactifs sont impliqués dans des séquences appelées familles radioactives. Une famille radioactive est un groupe d’éléments dans lequel la désintégration d’un élément radioactif produit un autre élément également radioactif. Par exemple, l’isotope parent d’une famille radioactive est l’uranium-238. Lorsque l’uranium-238 se désintègre, il forme du thorium-234. Mais le thorium 234 est également radioactif. Lorsqu’il se désintègre, il forme du protactinium 234. Le protactinium 234, à son tour, est également radioactif et se désintègre pour former de l’uranium 234. Le processus se poursuit pendant onze autres étapes. Enfin, l’isotope polonium-210 se désintègre pour former du plomb-206, qui est stable.
De nombreux éléments plus légers ont également des isotopes radioactifs. On peut citer l’hydrogène-3, le carbone-14, le potassium-40 et le tellure-123.
Les isotopes radioactifs peuvent aussi être fabriqués artificiellement. Le procédé habituel consiste à bombarder un noyau stable avec des protons, des neutrons, des particules alpha ou d’autres particules subatomiques. Le processus de bombardement peut être réalisé avec des accélérateurs de particules (briseurs d’atomes) ou dans des réacteurs nucléaires. Lorsqu’une des particules de bombardement (balles) frappe un noyau stable, elle peut provoquer l’instabilité de ce noyau et, par conséquent, le rendre radioactif.