Thread by @ferney_paul

Aujourd’hui, c’est le troisième #THREAD de physique #nucléaire. Aujourd’hui on attaque la #radioactivité ! On va notamment parler des rayons gammas, et de certains phénomènes importants pour la physique des réacteurs.

Niveau de difficulté : Facile 📗

Bien. La radioactivité, qu’est-ce que ça veut dire déjà ? Déjà il y a « radio », qu’on retrouve dans « radiation », « irradier », « radieux » et « rayon »...
Il y a un rapport avec la lumière ! 💡

Donc radioactif, ça voudrait dire quelque chose comme : « Qui produit de la lumière ».
C’est bien beau, mais est-ce qu’alors ma lampe de poche est radioactive ? Et comment ça se fait que je ne vois pas la lumière des choses radioactives ?

Avant de répondre à cette question, revenons sur la lumière. Il ne s’agit pas uniquement du phénomène qui produit une sensation visuelle👁️

Il y a bien d’autre manifestations :
La radio, les rayons UV qui vous font bronzer, les rayons x pour voir votre squelette, les micro-ondes pour chauffer vos pâtes…

Une onde lumineuse est caractérisée par sa longueur d’onde. Cette longueur d’onde va avoir une influence sur la manifestation de la lumière : par exemple, on peut ranger toutes les couleurs de l’arc en ciel en fonction de leur longueur d’onde.

Les petites longueurs d'ondes donnent du violet, puis du bleu, du vert du jaune et enfin du rouge pour les plus grandes longueurs d'ondes.

Ces longueurs d'ondes constituent le spectre visible. Mais ce spectre ne représente qu’une toute petite fraction de ce qui existe ! Les longueurs d’ondes au-delà de la lumière violette donnent les rayons ultra-violets, et au-delà du rouge, on a les infra-rouges…

« Mais, c’est bizarre ! Le violet est plus petit que le rouge. Donc au-delà du violet c’est encore plus petit, non ? Ce ne serait pas pertinent de parler d’infra-violet et d’ultra-rouge ? »

C’est une bonne remarque ☺️ Mais dans ces noms, on ne fait pas référence à la longueur d’onde, mais plutôt à l’énergie. En fait, plus la longueur d’onde est faible, plus l’onde lumineuse est de forte énergie !
Plus l'onde est de forte énergie, plus elle peut endommager le corps.

Ainsi la "lumière" de la radioactivité correspond à des rayons gamma, soit des rayons ultra-violets de très forte énergie issue de la désintégration radioactive de noyaux instables.
Mais les rayons gammas ne sont pas les seuls produits de la radioactivité !

Notez deux choses :
- on retrouve les rayons gammas dans de nombreuses réactions nucléaires (capture, fission etc…).
- la radioactivité implique de hautes énergies, qui peuvent avoir des effets sur notre corps. On reparlera de la radioprotection dans un thread.

Il existe de nombreux processus de décroissance radioactive. Nous allons en voir ensemble 3 :
- la radioactivité alpha
- la radioactivité bêta moins
- la radioactivité n

La radioactivité alpha d’abord. Elle se produit en général sur des noyaux très lourds, qui recherchent la stabilité en s’allégeant : ils émettent des particules alpha (qui sont des noyaux d’hélium). Un rayon gamma est émis quand le nouveau noyau se retrouve dans un état excité.

La radioactivité bêta moins est un peu plus surprenante : elle a lieu sur des noyaux avec trop de neutrons pour être stable :

Un neutron est transformé en proton, et une particule bêta moins est émise (il s’agit en fait d’un électron). Un antineutrino est également émis, mais je ne parlerais pas de ces machins-là…

…Car sinon, je dois vous parler de quarks, d’interaction nucléaire faible etc. Retenez que pour ce qui nous intéresse, les neutrinos et antineutrinos, ça n’a aucun effet. Ce sont les magicarpes de la physique nucléaire 😋

Enfin, la radioactivité n a lieu sur des noyaux avec vraiment beaucoup de neutron, tellement qu’ils en larguent un par-dessus bord ! Ce type de radioactivité est rare, mais très utile lors de la conception d’un réacteur nucléaire pour en faciliter le pilotage… On en reparlera 😉

Je vous l’ai dit : après une désintégration, les noyaux ont tendance à se rapprocher de la stabilité. Mais qu’est-ce que ça veut dire en fait ?

Au thread précédent, je vous avais parlé d’énergie. Pour ceux qui ont bien compris cette histoire, ils peuvent voir ces différentes transformations comme des transferts d’énergie interne du noyau à d’autres trucs (particules α, β- etc…).

Au bout d’un moment, ces transformations ne permettent plus d’évacuer de l’énergie : on se retrouve dans un état stable.

Pas de panique pour les autres, vous allez quand même comprendre. Imaginez vos noyaux comme des balles réparties de part et d’autre d’une vallée. Au fond de la vallée, les balles ne peuvent pas tomber plus bas. Si on leur met des pichenettes, elles ne bougent pas.

Par contre, les balles un peu plus haut dans la montagne, si vous leur mettez une pichenette, elles risquent de dégringoler et d’aller beaucoup plus bas.

Pour les noyaux, c’est un peu la même idée : la position dans la montagne dépend du nombre de protons et de neutrons. Il existe aussi une vallée, qu’on appelle « vallée de la stabilité » avec tous les noyaux stables. Et de part et d’autre, il y a les noyaux instables.

Au niveau des noyaux, c’est la physique quantique qui s’applique : il n’est plus vraiment question de pichenettes extérieurs. Les décroissances radioactives sont des réactions nucléaires spontanées (d'un certain point de vue, les noyaux se font des pichenettes à eux-mêmes 🙃)

Parlons maintenant de la demi-vie : isolez et observez une quantité d’un isotope radioactif. Comme il est instable, il va se transformer et la quantité de cet isotope va diminuer au cours du temps. Le temps au bout duquel la moitié de l’isotope aura disparu s’appelle la demi-vie.

La demi-vie nous renseigne sur la stabilité du noyau en question : plus la demi-vie est courte, plus la probabilité de désintégration du noyau à un instant t est élevée. En d’autre terme, plus il est instable et « sensibles aux pichenettes ».

Regardons les demi-vies des isotopes radioactifs : on se rend compte que globalement, plus un isotope est loin de la vallée de la stabilité, moins il est stable. Un peu comme si la montagne devenait de plus en plus pentue.

On observe quelques îlots presque stables. Pour expliquer ça, il faudrait que je détaille de la physique quantique, et ce n’est pas le but ici. Remarquez que dans l’îlot au niveau des noyaux lourds, on retrouve notamment certains isotopes du thorium et de l’uranium…

Or, ce sont deux éléments utilisés comme combustible nucléaire. Coïncidence ? Je ne pense pas ! 😉 On verra tout ça dans un autre thread.

Voilà, c’est tout pour aujourd’hui ! J’espère avoir été clair, et que tout ce que je vous ai raconté vous a plus. Comme d’hab, je ne suis pas contre un petit RT pour faire connaître ce type de thread😁n’hésitez pas non-plus à me poser vos questions et à faire des remarques. ☺️