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1       Structure de l�atome

1-1        Structure �lectronique et nucl�aire, particules �l�mentaires

L�atome est compos� d�un noyau autour duquel tournent des �lectrons.

Le noyau est compos� de neutron et de proton, qui sont des nucl�ons.

 

Atome

��� 6447448

���lectron����� �������� noyau

����������������� ����� 64748����������

���������������������������������� Neutron����� Proton

����������� proton p+

����������� neutron n�

����������� �lectron e-

 

 

 

masse des particules �l�mentaires

mp mn 1830 me�����

mp mn 1,67.10-27 kg

me 9,1.10-31 kg

 La masse des particules �l�mentaires au repos est :

mp = 1,6726432.10-27 kg

mn= 1,6748882.10-27 kg

Charge des particules �l�mentaires

qp = - qe = e = 1,6.10-19 C

1-2        Notation des nucl��des

On note Z le nombre de proton �������� Z est le nombre de charge

On note A le nombre de nucl�on ����� A est le nombre de masse

On note Nle nombre de neutron

 

����������������������� ����� X est le symbole du nucl��de.

On notera le proton le neutron et l��lectron de la m�me mani�re :

����� ��� et

Deux atomes ayant :

le m�me Z mais un A diff�rent sont des isotopes

le m�me A mais un Z diff�rent sont des isobares

le m�me N mais un Z diff�rent sont des isotones

Exemple :

isotopes����������

isobares����������

isotones����������

 

En nucl�aire le symbole ne repr�sente qu�un seul atome et non une mole d�atome.

1-3        Principes fondamentaux

1-3-1          �quivalence masse �nergie

D�apr�s la relation d�Einstein, � toute masse m0, il correspond une �nergie :

E = m0 c2 �� �avec c = 3.108 m.s-1 ������������� (1)

Il en r�sulte qu�une particule au repos poss�de une �nergie, son �nergie de masse au repos.

 exemple : calcule de la masse du deut�rium � partir de la masse du proton et du neutron. La masse d�un noyau de deut�rium est� : mD = 3,3445172.10-27 kg

 Le noyau de deut�rium est , il est compos� d�un proton et d�un neutron

mp+mn= 3,3475314.10-27kg > mD = 3,3445172.10-27 kg

Dm =� -� 0,0030142.10-27 kg

DE = - 2,71278.10-11 J���������� pour un atome

DE = -1,6330935.1013 j �������� pour 2g de deut�rium

1-3-2          Conservation de la charge

Dans toute transformation radioactive ou d�une r�action nucl�aire, le nombre de charge se conserve.

1-3-3          Conservation du nombre de nucl�on

Dans toute transformation nucl�aire, il y a conservation du nombre de masse, donc du nombre de nucl�on.

1-3-4          Conservation de l��nergie

L��nergie existe sous diverses formes :

      �nergie cin�tique ( � mv2 )

      �nergie potentielle� (EK, EL...)

      �nergie rayonnante (hn)

Si on consid�re un syst�me de particules en interaction ce principe s�applique � l�ensemble du syst�me, chaque particules poss�dant une �nergie de masse au repos plus son �nergie cin�tique.

E = m0c2 + Ec = mc2 ������������������������� (2)

m est la masse relativiste avec :

�������������������� �� �������� �(3)

����������� � ����������������� m0 c 2 = m c2- m v2

1-3-5          Conservation de l�impulsion

Une particule en mouvement a une impulsion ou quantit� de mouvement :

Au cours de l�interaction, l�impulsion totale du syst�me est conserv�e. On en d�duit la relation entre �nergie et impulsion :

E2 = p2c2 + (m0c2)2 ��������������������������� (4)

d�monstration de la formule (4):

(2)� E = m0c2 + Ec = mc2 ��

(3)�

������ c2 * ������� �� m02c2 = m2c2 - m2v2

����������������������� ��� m2c4 = m02c4 + p2c2

����������������������� ������ E2 =� m02c4 + p2c2

1-3-6          Dualit� onde-corpuscule

En 1905 Einstein montre que l�aspect ondulatoire de la lumi�re n�est pas la seule manifestation d�une onde �lectromagn�tique. Il �met l�hypoth�se qu�� toute onde �lectromagn�tique de fr�quence n, peut �tre associ�e une corpuscule : le photon dont l��nergie quantifi�e est

En = hn = hc/l

o� h est la constante de planck�� h = 6,62.10-34 J.s et c = 3.108 m/s

 Pour le photon la masse est nulle, car il se d�place � la vitesse limite de la lumi�re, donc :

m0c2 = 0

E = pc

p = E/c = hn/c

Il en r�sulte que les quanta de lumi�re ont une impulsion p dans la direction de la lumi�re.

Par analogie Louis de BROGLIE en 1924 �met l�hypoth�se r�ciproque qu�� toute particule d�impulsion p est associ�e une onde de longueur d�onde

l = c/n = h/p = h/mv

1-4        Grandeurs li�es � l�atome

1-4-1          Longueur

le diam�tre d�un atome est de l�ordre de grandeur de l�angstrme ()� ( 10-10 m)

Le Rayon de Bohr de l�atome d�hydrog�ne est rH = 0,59

Le rayon du proton est de l�ordre du femtom�tre ( 10-15 m)

Le rayon d�un noyau� lourd est de environ 7 fm

Le rayon du noyau de l�atome varie en fonction du nombre de nucl�on A :

R = R0. A 1/3 � avec R0 = 1,2 fm

1-4-2          Le temps

L��chelles de temps des ph�nom�nes nucl�aires est tr�s �tendu. Elle varie de 10-20s r�action nucl�aire � 109 ans (d�sint�gration nucl�aire )

Dans la pratique on utilise l�unit� la mieux adapt�e au ph�nom�ne.

1-4-3          �nergie

L�unit� d��nergie en nucl�aire est l��lectron-volt� (eV).

1 eV = 1,6.10-19 J������� 1 J = 0,625.10+19 eV = 0,625.10+13 MeV

1-4-4          Masse

L�unit� l�gale de masse est le kg. Beaucoup trop grand pour les atomes :

(mp mn 1,67.10-27 kg)

On va donc utiliser des unit�s mieux adapt�es :

      L�unit� de masse atomique ( u )

1 u est le 1/12 de la masse d�un atome de carbone 12 ( 12C)

or une mole de carbone 12 a une masse de 12 g

donc� :

      MeV.c-2

� chaque masse m0 peut �tre associ�e une �nergie : l��nergie de masse

E = m0.c2 ������� avec ��� c= 3.108 m/s E en joules m en kg

si E en MeV

1 MeV = 1,6.10-13 J��� 1 J = 0,625.1013 �MeV

 Pour d�terminer la masse en MeV.c-2 on calcule l��nergie de la masse m0 en MeV :

exemple : masse du proton au repos� mp = 1,67.10-27.kg

����������� E = 1,67.10-27.9.1016 J

�����������

����������� E = mp .c2

����������� mp = 939,375�� MeV.c--2

 Valeurs des masses� des particules �l�mentaires

 

masse en

u

MeV.c--2

e-

5,485.10-4

0,511

p+

1,00727

938,28

n0

1,00866

939,57

u

1

931,5

a

4,00150

3727,41

2        Mod�le atomique

2-1        Structure �lectronique postulat de Bohr���

      Un �lectron, dans un atome, d�crit une orbite autour du noyau �sous l�influence de l�attraction Coulombienne entre �lectron et noyau .

      Le moment angulaire orbital de l��lectron L = mnr ne peut varier que de mani�re discr�te. Il est quantifi� seules sont permises les orbites pour lesquelles :

2pL = nh ������������������ avec n = 1,2,3,...

      Sur une orbite permise l��lectron, bien que constamment acc�l�r� ne rayonne pas d��nergie. Son �nergie totale est constante.

      Un rayonnement �lectromagn�tique n�est �mis que si un �lectron saute d�une orbite d��nergie Ei sur une autre orbite permise d��nergie inf�rieure Ef .

L��nergie rayonn�e est

E = Ef - E i < 0 ���������� �(E<0 car �nergie c�d�e)

Chaque orbite correspond � un �tat d��nergie de l�atome.

2-2        Niveaux d��nergie

����������� L��nergie totale de l��lectron sur un niveau d��nergie est la somme de son �nergie potentielle et de son �nergie cin�tique Ec. l��nergie potentielle est nulle si l��lectron est � l�infini.

En = Ep + Ec���������������

�����������

or�� ���������� ������ ������� donc �� �

 

Le moment cin�tique �2pL = nh ������ avec ���

L = nh = mvr

On montre que pour l�atome d�hydrog�ne Z = 1

 

Pour n > 1 les �tats sont excit�s et instables ; la dur�e de vie dans un �tat excit� est de l�ordre de la nanoseconde ( 10-9 s).

Pour n = 1 l�atome est dans l��tat fondamental.

 

Pour n = l�atome est ionis�.

 

 

 

 

 

 

 

 

2-3        Nombres quantiques, structure hyperfine

����������� n nombre quantique principal ���������� n = 1, 2, 3 ,...

      l nombre quantique azimutal ������� l = 0 ,1 ,2 ,3 ,....

      ml nombre quantique magn�tique ml = -l ,-l+1 ,....,0 ,1 ,2 ,...., l-1 ,l

      s spin ������������������������������������������� s =

n �������� correspond au niveau d��nergie

ml ������ correspond au moment cin�tique ( sens de rotation de l��lectron autour du noyau. ��������� C�est � une charge �lectrique qui tourne donc cr�e un champ magn�tique)

s��������� le spin correspond � la rotation de l��lectron sur lui-m�me.

2-4        Principe d�exclusion de Pauli

Si un atome a un num�ro atomique Z la charge autour du noyau est Ze

Les Z �lectrons ne peuvent pas avoir le m�me �tat quantique.

Il faut donc que les 4 nombres quantiques ne soient pas identiques pour 2 �lectrons quelconques.

2-5        Configuration �lectronique d�un atome

Pour un m�me niveau d��nergie le nombre quantique n est le m�me.

 

niveau

n

l

m

s

�tats

K

n = 1

l = 0

m = 0

s =�

1s2

L

n = 2

l = 0

l = 1

m = 0

m = 0, 1

s =�

s =�

2s2

2p6

M

n = 3

l = 0

l = 1

l = 2

m = 0

m = 0, 1

m = 0, 1, 2

s =�

s =�

s =�

3s2

3p6

3d10

N

n = 4

l = 0

l = 1

l = 2

l = 3

m = 0

m = 0, 1

m = 0, 1, 2, 3

m = 0, 1, 2, 3, 4

s =�

s =�

s =�

s =�

4s2

4p6

4d10

4f14

 

L��nergie de liaison d�un �lectron varie de quelques �lectrons-volts � quelques centaines de keV pour les atomes les plus lourds et les �lectrons les plus li�s ( les plus profonds).

A l��tat fondamental les �lectrons d�un atome sont au niveau le plus bas possible.

Ordre de remplissage des niveaux d��nergie par les �lectrons

 

Le remplissage du sous niveau 3d correspond � la s�rie des Lanthanides et celui des 4d � la s�rie des actinides.

 

Les Lanthanides sont tous dans la case 57 du tableau de Mendele�ev et les actinides sont tous dans la case 89 de l�actinium.

 

Il est � noter qu�il� y a quelques irr�gularit� dans le remplissage au niveau du nickel et cuivre, du Techn�tium et Ruth�nium, ainsi que de l�iridium et platine.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-6        Le noyau

2-6-1          �tats d��nergie du noyau.

Le noyau �contient Z protons et N = A - Z� neutrons.

L��nergie du noyau au repos est :

M(A,Z) c2� = Z Mp c2 + N Mn c2� -� B

�avec��� Mp c2 = 938,28 MeV�������������� �nergie de masse du proton

����������� Mn c2 = 939,59 MeV�������������� �nergie de masse du neutron

B �nergie de liaison totale des A nucl�ons, ou d�faut de masse ( B Binding : liaison en anglais).

 On appelle� �l��nergie moyenne de liaison par nucl�on.

On peut constater que cette �nergie de liaison par nucl�on est maximum de A = 60 � A = 90. Cela correspond aux noyaux les plus stables 9 MeV.

 Si A < 30� �varie peu et est voisine de 8 MeV. C�est une valeur forte compar�e � l��nergie de liaison des �lectrons. On peut obtenir de 2 fa�ons des noyaux de grande �nergie de liaison par nucl�on.

      Soit en cassant un noyau lourd en deux noyaux plus l�gers : c�est la fission.

      Soit en assemblant deux noyaux l�gers en un noyau plus lourd : c�est la fusion

2-6-2          Forces nucl�aires

La coh�sion du noyau est due � l�interaction nucl�aire forte.

Caract�ristiques des forces nucl�aires :

      Attractives et tr�s intenses (forte �nergie de liaison des nucl�ons)

      De tr�s courte port�e 1 fm (diff�rente de la coulombienne � longue port�e en 1/r2 )

      Ind�pendante� de la charge ( les forces d�attraction n-n, p-p et n-p identiques)

      Elles sont satur�es. Le vecteur interaction est le m�son p

 2-6-3          �tats excit�s : processus de d�sexcitation

2-6-3.1           D�sexcitation de l�atome

Si le cort�ge d��lectron est modifi� par une collision avec un projectile, l�atome se trouve excit� dans un �tat instable de courte dur�e (10-8 � 10-15 s). Si un proton p+ arrache un �lectron e- de la couche K, l�atome est ionis�. il y a une vacance �lectronique.

Il y a d�sexcitation par un �lectron de niveau� sup�rieur (en g�n�ral L) puis M comble L puis N comble M ...

����������� La transition L K lib�re une �nergie E = EK- EL� < 0

La d�sexcitation peut s�effectuer par deux processus :

      soit une �mission X

      soit par effet AUGER

*      Emission X

L��nergie est emport�e par un photon d��nergie hn

hn = | (EL-EK)| ���������� �nergie 120 keV

Il y a un grand nombre d��mission possible, car il y a plusieurs niveaux d��nergie et sous niveaux d��nergie. L�onde �lectromagn�tique est en mode transverse.

 *      Effet Auger

Ce processus est non radiatif, l ��nergie disponible est directement transf�r�e sans �mission X � un �lectron du cort�ge qui est �ject� de l�atome avec une �nergie cin�tique �gale � l��nergie lib�r�e diminu�e de l��nergie de liaison de l��lectron.

C�est un processus d�auto-ionisation de l�atome. L�effet Auger est pr�dominant pour les �l�ments l�gers. L��mission X pr�domine pour les �l�ments lourds.

 Dans l�effet Auger le champ� �lectrique est en mode radial.

Il y a comp�tition entre �mission X et l�effet Auger.

 

 

2-6-3.2           D�sexcitation du noyau

����������� Tr�s souvent apr�s �mission a �ou �b ou apr�s une r�action nucl�aire (capture, fission, fusion) le noyau est dans un �tat excit�.

Les �tats d��nergie du noyau sont quantifi�s comme ceux de l�atome.

Il existe deux processus de d�sexcitation du noyau :

      par �mission g

      par conversion interne

      �mission g

����������������������� Ce sont des rayonnements �lectromagn�tiques de m�me nature que les rayons X mais plus �nerg�tiques, donc de plus grande fr�quence.

����������� On montre que l��nergie de recul du noyau est de l�ordre de :

ER = 50 eV

et que l��nergie du photon g� est de l�ordre de :

Eg 2 MeV

donc ER << Eg Ei -Ef

L��nergie Egest de l'ordre de 10 keV � 3 MeV.

       Conversion interne

La conversion interne est un processus non radiatif de d�sexcitation du noyau. L��nergie est c�d�e directement � un �lectron du cort�ge �lectronique ( le plus souvent du niveau K) qui est �ject� avec une �nergie :

Ee- = E - B������ B �nergie de liaison��� E �nergie de d�sexcitation

A la suite de la conversion interne le cort�ge �lectronique se r�arrange avec �mission de rayon X ou d��lectron Auger.

3       La Radioactivit�

3-1        D�finition ������

����������� Certains nucl�ides se transforment� spontan�ment au cours du temps. Cette transformation correspond � un changement de nature du noyau. Cette transformation se fait par �mission de particule a ou b ou par fission spontan�e ou par capture �lectronique. Cela se passe pour les noyaux lourds ou qui ont un exc�s de neutron ou de proton.

����������� Ces noyaux sont dits �  Radioactifs � ils se d�sint�grent. Ce ph�nom�ne est ind�pendant des conditions physico-chimiques du nucl�ide et de l��ge du nucl�ide.

����������� La probabilit� que, pendant un temps dt, le nucl�ide consid�r� se d�sint�gre est une donn�e caract�ristique de ce nucl�ide.

3-1-1          Loi de d�sint�gration radioactive

����������� Soit un nombre N(t) d�atomes radioactifs d�une esp�ce pr�sents � la date t.

����������� Entre t et t + dt un certain nombre de noyaux se sont d�sint�gr�s et ont chang� de nature.

����������� On appelle dN la variation du nombre d�atome entre ces deux dates. Cette variation est proportionnelle au nombre N(t) d�atomes � la date t, d�pend du nucl��de consid�r� et de la dur�e dt.

dN = - N l dt�� (- car il y a diminution de N)

����������� l est la constante radioactive du nucl��de

����������� N0 est le nombre d�atomes pr�sents � la date t = 0

����������� La d�croissance radioactive suit une loi exponentielle.

3-1-2          P�riode radioactive

����������� La p�riode T est le temps n�cessaire pour que la moiti� des N0 atomes pr�sents � la date t=0 se soient d�sint�gr�s.

Les p�riodes T des diff�rents radio�l�ments couvrent un domaine tr�s vaste, depuis

T > 1030 ans pour le vanadium ��������� �

T < 2.96.10-7 s pour

3-1-3          Vie moyenne

����������� La vie moyenne d�un atome particulier est comprise entre 0 et . Si on a N0 atomes pr�sents � t = 0 � t il en reste :

N(t) = N0 e -lt

entre t et t + dt , dNt atomes se d�sint�grent

dN(t) =� - l N(t) dt

ces dN(t) atomes ont eu une vie �gale � t

La dur�e de vie totale de l�ensemble est

dN(t) .t =� - l N(t) t� dt

Par d�finition la vie moyenne t des N0 atomes est la somme des dur�es de vie de tous les atomes divis�e par N0 .

or ������������������ N(t) = N0 e -lt

on int�gre par partie, on obtient t = l-1

or������������������� N(t) = N0 e -lt ������� �si ���� t = t = l-1

donc �������������� N(t) = N0 e -l/l = N0 e-1

La vie moyenne correspond au temps au bout duquel le nombre d�atomes a d�cru d�un facteur 1/e.

3-2        Mode de transformation spontan�e

 ����������� On peut classer en deux cat�gories les modes de transformation :

      Transformation isobarique ( A = cte)

      Transformation par partition en 2 noyaux.

3-2-1          Transformation isobarique

����������� Ce sont des transformations sans changement du nombre de masse A. Ceci est du � un d�s�quilibre trop important entre les neutrons et protons dans le noyau.

3-2-1.1           �mission b +

����������� La particule b+� est un positon, car il y a trop de protons dans le noyau.

On peut consid�rer que c�est un proton qui se transforme en un neutron

n est un neutrino de charge nulle et de masse vraisemblablement nulle.

exemple :

3-2-1.2           �mission b -

����������� La particule b- est un �lectron expuls� du noyau. Il y a �mission d'un antineutrino, pour conservation de l'�nergie. On peut consid�rer que b- �correspond � la transformation d�un neutron en proton, car il y a un exc�s de neutron dans le noyau.

exemple :

3-2-1.3           Diagramme d��nergie

����������� Les particules b ont une �nergie qui n�est pas quantifi�e. Mais le nombre de positon ou �lectron est maximum pour une �nergie de 0,58 MeV

����������� figure 1��������������������������������������������������������� ����� figure 2

L��nergie des particules b �mis n�est pas constante pour un type de d�sint�gration.

EB EA,Z - Ea,Z�

Sur un nombre tr�s grand de d�sint�grations b on observe une r�partition d��nergie des particules de la forme de� la� figure 2. Le maximum de particule a une �nergie (EMax) *1/3

����������� On peut d�terminer Emax :

Emax + m0c2 = M�(A,Z) c2 - M(A,Z 1) c2

o� m0 est la masse au repos, de la particule b .On constate que toutes les particules

b� n�ont pas la m�me �nergie cin�tique. On obtient un spectre continu d��nergie (figure 2).

����������� Par exemple pour le phosphore 32 qui est un �metteur b-

�l��nergie est :

EP = 15 Mp c2 + 17 Mn c2 - B������������ ( B �nergie de liaison : binding)��������

Pour le soufre 32

ES = 16 Mp c2 + 16 Mn c2 - B

L��nergie disponible est E = D E =1.732 MeV

Donc sauf dans le cas rare o� l��nergie des b �est Emax , il n�y a pas conservation de l��nergie; donc on est oblig� de supposer l�existence d�une particule sans masse et sans charge : le neutrino.����������� Son �nergie de masse est :

mn c2 < 10 eV

Le neutrino est une particule tr�s p�n�trante, mais non ionisante, qui n�interagit pas avec la mati�re.

 

Mais dans de nombreux cas le noyau final est dans un �tat excit�. Il y a lib�ration d�un photon g

 

On peut �crire :

Pour les b+ : si on appelle M� la masse du noyau, et M la masse de l�atome on peut �crire :

si on ajoute aux deux membres la masse de Z �lectrons on obtient :

Si on appelle Qb+ la diff�rence des masses atomiques des atomes lors de la d�sint�gration b+

Pour que la d�sint�gration b+ soit �nerg�tiquement possible, il faut que :

Qb+ 2m0c2 = 2*0,511 MeV = 1,022 MeV

 Pour b- il faut que �

Si on ajoute les Z �lectrons c�est � dire une masse� Zm0c2 aux deux membres avec m0 masse de l��lectron au repos on obtient :

3-2-1.4           Capture �lectronique

����������� Il peut y avoir au lieu d�une �mission d�une particule b+ , une capture �lectronique avec transformation d�un proton en neutron :

p+ + e- n + n

I l y a transformation dans le noyau d�un proton en neutron comme dans l��mission b+ La capture �lectronique est en concurrence avec l��mission b+ . Le noyau r�siduel est laiss� dans un �tat excit�, et il y aura �mission d�un photon g .

L��nergie de d�sint�gration est

E0= EM� +En + EgEM� +Eg

Si on ajoute (Z-1) m0 c2� aux deux membres on obtient :

E0 = QCE

La capture �lectronique ne peut se produire que si QCE > 0 c�est � dire si

ZM > Z-1 M

 

L��mission b+ n�est possible que si ��� ZM > Z-1M + 2m0

 

Par exemple :

������������������������ �

����������� Si�� Q > 2 m0 c2 ���������� la capture �lectronique est pr�pond�rante devant b+ pour les atomes lourds (Z grand) car les �lectrons sont en moyenne plus pr�s du noyau.

����������� Apr�s une capture �lectronique, il y a r�arrangement du cort�ge �lectronique soit par �mission X caract�ristique de l�atome fils, soit par �mission d��lectron Auger.

3-3        D�sint�gration a

����������� C�est une d�sint�gration non isobarique, avec �mission d�un noyau d�H�lium He

Ma = 4,00150 u

Ma c2 = 3727,41 MeV

Energie de liaison totale B = 28,3 MeV

Energie de liaison par nucl�on B/A = 7,07 MeV/nucl�on

 

noyau

2H

3H

3He

4He

6Li

7Li

B (MeV)

2,22

8,48

7,72

28,3

32

9,2

B/A

1,11

2,83

2,57

7,07

5,33

5,60

����������� On peut remarquer que l��nergie de liaison par nucl�on est la plus grande pour la particule a donc c�est une particule tr�s stable.

3-3-1          Energie de la d�sint�gration a

Il y a conservation de l��nergie lors de la r�action :

Ea �et EM� sont les �nergies de recul de la particule� a et du noyau fils. Si on �crit la conservation de la quantit� de mouvement

M�Vr = M�a Va �������� � Vr = Va *(M�a/M�)

L��nergie de recul du noyau est :

����� or �������

Les �metteurs a sont des noyaux lourds A @ 200 donc����

EM�@0,02 Ea�� et si Ea = 5 MeV���� EM�@ 100 keV

L��nergie totale ou �nergie de d�sint�gration sera :

La d�sint�gration a ne peut donc avoir lieu que si����� Qa > 0��������� ������ A > 140

L��nergie de d�sint�gration� a varie dans une bande �troite de 4 � 9 MeV. On constate que l��mission a donne plusieurs raies voisines ; on observe une structure fine.

3-3-2          P�riode des �metteurs a

La p�riode des �metteurs a varie de 10-7 s � 1010 ans.

Plus l��nergie est grande plus la p�riode est courte.

 

Nucl�ide

Ea ( MeV)

P�riode T

232 Th

4.05

1,39.1010 ans

226 Ra

4.88

1,62.103 ans

228 Th

5.52

1,9 ans

222Rn

5.59

3,83 jours

218 Po

6.12

3,05 min

216 Po

6.89

0,16 s

212 Po

8.95

3.10-7 s

3-3-3          Noyaux ayant plusieurs modes de d�sint�gration

Certains noyaux ont plusieurs modes possibles de d�sint�gration.

Par exemple :

����������� Le 64Cu se d�sint�gre soit par �mission b- ou b+ soit par capture �lectronique CE.

����������� Chaque mode de d�sint�gration est caract�ris�e par sa probabilit� partielle par unit� de temps :

lb- ������� �lb+ ������ �lCE

Chacune de ces probabilit�s est ind�pendante. La constante l de d�sint�gration du cuivre 64Cu est :

l = lb- ��+ lb+ ����������������� + lCE

 

 

On appelle rapport d�embranchement les quantit�s� :

 

Ces Rapports pour le 64Cu sont respectivement de 19% ,39 % et 42 %.

3-3-4          Activit�

L�activit� d�un �chantillon radioactif repr�sente le nombre de d�sint�grations par secondes :

� or N(t) = N0 .e-lt� donc

A(t) = l N0 e-lt = A0 e-lt

L�activit� d�cro�t rapidement au d�but de l��mission, pour se stabiliser vers la fin de l��mission.

L�activit� d�une source servira � la datation d�un objet.

L�unit� d�activit� est le Becquerel (Bq) :

1 Bq = 1 d�sint�gration par seconde

L�ancienne unit� d�activit� est le Curie (Ci). C�est l�activit� � 1 % pr�s, de 1g de 226Ra de p�riode 1600 ans.

1 Ci = 3,7.1010 Bq

Les sources de laboratoire sont dans le domaine du mCi au mCi.

Remarque : L�activit� est un nombre de d�sint�gration par seconde, et non un nombre de rayonnement �mis par seconde ; Ce nombre d�pend lui du sch�ma de d�sint�gration.

Exemple : L�activit� d�un fragment d�os humain actuel contenant du 14C est de 880 Bq, sachant qu�un fragment ancien a une activit� de 110 Bq d�terminer l��ge de ce fragment.

������������������������������������������������ � t=0 A0 = 880 Bq

������������������������������������������������ � t���� At = A0 e-lt =110 Bq������ or TC = 5570 ans pour 14C donc

A(t) = A0 e-0,693 t/5570 ������ ������ t = 16713.5 ans

3-3-5          Quantit� de radio nucl�ide correspondant � une activit� d�sir�e.

      En nombre d�atome

Si un radionucl�ide a une p�riode T (en secondes) , � un instant t l�activit� de l��chantillon est 1 Ci. Combien y a-t-il de noyaux actifs dans cet �chantillon � l�instant t ?

      En masse

o� n est le nombre d�Avogadro n = 6.023.1023 .

Plus la p�riode est longue, plus il faut une masse importante d��chantillon actif pour avoir 1 Ci d�activit�.

Exemples :

Nucl�ide

P�riode T

Masse g/Ci

226Ra

1600 ans

1,02

60Co

5,2 ans

9,1.10-4

32P

14,3 jours

3,5.10-6

      Repr�sentation graphique de l�activit� en coordonn�es semi-logarithmiques

����������� En coordonn�es A(t) en fonction du temps la courbe est une exponentielle d�croissante.

En coordonn�es semi-logarithmiques la courbe de l�activit� en fonction du temps est une droite de pente -A(0)/2T.

����������� Dans le cas d�un m�lange de deux radio nucl�ides dont la p�riode de l�un est bien plus petite que celle de l�autre, l�activit� totale est �gale � la somme des activit�s de chacune des sources.

A(t) = A1(t) + A2(t)� ������������������ A1(t) = A1(0)* e-l1*t

A2(t) = A2(0)* e-l2*t �������� et � t = 0���� A(0) = A1(0) + A2(0)

 

En coordonn�es semi-log l�activit� totale n�est pas une droite, mais la composition de 2 droites. Pour d�terminer les p�riodes il faut donc attendre suffisamment longtemps pour qu�il ne reste plus qu�un seul radio nucl�ide pr�sent dans la source. La d�croissance de l�activit� de la source est alors lin�aire (en semi-log)

����������� On prolonge cette droite vers l�origine des dates, on obtient l�activit� initiale de ce radio nucl�ide de longue p�riode. On soustrait cette valeur � l�activit� initiale du m�lange et on obtient l�activit� de ce deuxi�me Nucl�ide.


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