Radioactivité et RI Flashcards
Quels sont les différents rayonnements ionisants ?
- Rayonnements électromagnétiques (rayons X et γ)
- Rayonnements particulaires (au sens particules massiques : α, β, neutrons, produits de fission, …)
Utilisation des rayonnement ionisant en médecine nucléaire ?
- Diagnostic (radiographie, scanner X, PET-scan, scintigraphie, …)
- Traitement (radiothérapie : irradiation externe ou interne (curiethérapie) de tumeur)
A quoi correspond 1 Å (Ångström) ?
10^-10 m
Diamètre d’un atome ?
1 Å : 10^-10 m
Diamètre d’un noyau d’atome ?
10^-15 m
A quoi correspondent les éléments de la représentation des atomes suivante ? A/Z X ?
=> Noyau constitué de A nucléons
* Z protons (p) de :
- masse mp
- charge e
* N = (A - Z ) neutrons (n) de :
- masse mn
- charge nulle (particule neutre)
Composition d’un atome ?
Atome = noyau + électrons
A quoi correspond le “A” de la représentation de l’atome ?
- Nombre de masse
- Nombre de nucléons
A quoi correspond le “Z” de la représentation de l’atome ?
- Nombre de charges
- Numéro atomique
Qu’est-ce qu’un isobare ?
mêmes A, Z différents
Qu’est-ce qu’un isotones ?
mêmes N, A et Z différents
Qu’est-ce qu’un isotopes ?
Mêmes Z , A différent
Qu’implique l’énergie de liaison des nucléons ?
La masse du noyau < Somme des masses des A nucléons qui le constituent
Calcul “exacte” de la masse du noyau d’un atome ?
m noy. at = Z. m(p) + (A-Z).m(n) - Δm
avec : -Δm = au défaut de masse
Qu’implique l’équivalence masse-énergie ?
Une particule de masse m possède une énergie :
* E = m*c² <= Relation d’Einstein
A quoi correspond le défaut de masse ?
Energie libérée lors de la formation du noyau
Calcul de l’énergie de la liaison nucléaire ?
B = Δm*c²
Qu’est-ce que l’énergie de liaison d’un système ?
= énergie cédée au milieu extérieur lors de la formation du système
= énergie qu’il faut fournir au système pour le dissocier
Qu’est-ce que l’énergie de liaison nucléaire ?
=> B
= énergie cédée au milieu extérieur lors de la formation du noyau
= énergie qu’il faut fournir au noyau pour le dissocier en ses A constituants
= Δm*c² avec Δm le défaut de masse du noyau
Que se passe-t-il lors de la formation du noyau ?
⇒ le milieu extérieur gagne de l’énergie : + B (≥ 0)
⇒ le système (les A constituants du noyau) perd de l’énergie : − B (≤ 0) : Donc le système est plus stable après formation du noyau
Quelle est l’énergie nécessaire d’apporter pour dissocier le noyau en ses A constituant ?
Il faut lui fournir l’énergie + B (≥ 0)
A quoi correspond l’énergie de liaison nucléaire par nucléon ?
B/A
Quelle sont les unités utilisées pou la masse et l’énergie d’un atome ?
- Unité de masse : Unité de masse atomique (uma ou u)
- Unité d’énergie : Électron-volt (eV)
=> Équivalence masse-énergie : 1 u ≡ 931,49 MeV
Caractéristiques de l’unité de masse atomique ?
=> uma ou u
* 1/12ème de la masse d’un atome de 12C, non lié, au repos, dans son état fondamental
* 1 u = 1,66054.10-27 kg
Caractéristiques de l’électron-volt ?
=> eV
* Énergie cinétique acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1V
* 1 eV = 1,60218.10-19 J
Que représente la courbe d’Aston ?
- L’énergie de liaison par nucléon en fonction de A
- Abscisses : Nombre de nucléons A
- Ordonnées : - B/A
D’après la courbe d’Aston quels sont les éléments chimiques les plus stables ?
Fe, Ni et Co : composition du noyau de la Terre
Viabilité de la stabilité d’un atome ?
Pas d’atome stable après le plomb : A > à 208
Définition de la fusion ?
Plusieurs noyaux légers se regroupent pour donner un noyau plus lourd (de plus basse − B/A donc de plus grande B/A)
Définition de la fusion ?
Un noyau lourd se scinde en plusieurs noyaux plus légers (de plus basses − B/A, donc de plus grandes B/A)
Principaux avantage de la fusion ?
- Produit plus d’énergie
- “fonctionne” avec des petits noyaux
- produit beaucoup moins de déchets radioactifs
=> Candidat parfait pour l’énergie nucléaire ((propre))
Exemple de réaction de fission ?
235/92 U → 140/55 Cs + 95/37 Rb
Quelle est la principale force de liaison des nucléons ?
Interaction nucléaire forte
Caractéristiques de l’interaction nucléaire forte ?
- Force attractive
- De forte intensité
- De très faible portée (~10-15 m)
- Indépendante de la charge des nucléons
Quelles sont les interaction physiques qui ont lieu entre des nucléons ?
=> 4
- Interaction gravitationnelle
- Interaction électromagnétique
- Interaction nucléaire forte
- Interaction nucléaire faible
Définition des particules fondamentales ?
Particules auxquelles – en l’état actuel du développement de la physique – il est impossible d’attribuer une structure interne qui serait l’association d’autres particules
Qu’a-t-on découvert au cours des années 60 en utilisant les accélérateurs de particules ?
- Proton et neutron ne sont pas des particules fondamentales
- Existence des antiparticules (même masse mais autres caractéristiques opposées à celles des particules)
Qu’est-ce qu’un positon ?
Antiélectron (même masse que l’e- et charge opposée)
Qu’est ce qu’une annihilation ?
e+ + e- → 2γ
=> Deux photons d’énergie mec² émis dans la même direction et en sens opposés
Que sont les quarks ?
=> Particules fondamentales constituant les nucléons (ainsi que d’autres particules)
Répartitions des quarks ?
=> 3 familles :
* 1ère famille : up et down
* 2nd famille
* 3ème famille
=> 2 et 3 sont les quarks lourds et instables qui deviennent souvent des quarks de 1ère famille
Composition des protons et neutrons en quarks ?
- Proton : (u,u,d)
- Neutron : (u,d,d)
Caractéristiques des Bosons ?
=> Photons
* Spin entier, suivent la statistique de Bose-Einstein
* Peuvent être au même endroit dans un
même état quantique
Caractéristiques des Fermions ?
=> Baryons : Nucléons (proton/neutron)
=> Leptons : Electrons, Neutrino associé à l’électron
* Particules qui constituent la matière
* Spin demi-entier, suivent la statistique de Fermi-Dirac
* Ne peuvent pas être au même endroit dans un même état quantique (principe d’exclusion de Pauli)
A quoi peut aboutir l’assemblage de nucléons ?
=> Noyaux stables
=> Noyaux instables dit radioactif
Définition de noyau radioactif ?
Se désintègrent :
Modifient leur structure pour revenir vers la stabilité en émettant un ou plusieurs rayonnements (ou particules)
Définition de noyau radioactif ?
Se désintègrent :
Modifient leur structure pour revenir vers la stabilité en émettant un ou plusieurs rayonnements (ou particules)
Définition de noyau radioactif ?
Se désintègrent :
Modifient leur structure pour revenir vers la stabilité en émettant un ou plusieurs rayonnements (ou particules)
Qu’implique la dualité onde-corpuscule ?
=> Particule de quantité de mouvement p :
p = mv
=> Onde (rayonnement) de longueur d’onde :
λ = h/p : Relation de De Broglie
Avec la lumière par exemple en reliant les deux on obtient :
p = (E/c)vect u = (u(hnu)/c)vect
En radioactivité à quoi correspond “T” ?
- C’est le temps au bout duquel la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés
=> Période radioactive ou demi-vie - T peut aller d’une fraction de seconde à plusieurs milliards d’années
Nombre de noyaux identifiés, identifié et stables ?
=> identifiés : 3000
=> Stables : 300
Nombres d’élément connus, connus sans isotopes stables ?
=> Connus : 118
=> Aucun isotope stable : 38
Que sont les “Nombres magique” ?
Valeurs de Z ou N pour lesquelles plus d’isotopes ou isotones stables et ayant des énergies de liaison plus fortes
=> 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Noyaux stables ?
- Pour Z < 20 : noyaux stables au voisinage de la droite Z = N
- Pour Z > 20 : noyaux stables pour Z < N
A quoi correspond l’état fondamental du noyau ?
m(noy)*c²
Définition de la radioactivité ?
Emission spontanée de rayonnement corpusculaire ou électromagnétique par un noyau
Quels sont les différents types de rayonnements ?
Selon la source radioactive :
* Rayonnements qui modifient la composition
des noyaux émetteurs
* Rayonnements qui ne modifient pas la composition des noyaux émetteurs
Rayonnements qui ne modifient pas la composition des noyaux émetteurs ?
=> Rayons γ et X : rayonnement électromagnétique (photons)
* Grande énergie, généralement Eγ > EX
* Fort pouvoir pénétrant : plusieurs cm à m de Plomb pour les arrêter (selon leur énergie)
Rayonnements qui modifient la composition
des noyaux émetteurs ?
- Particules α : noyaux 4/2 He
- Particules β- : électrons 0/-1 e
- Particules β+ : positons0/1 e
Caractéristiques des particules α ?
- Charge 2e, particules lourdes
- faible pouvoir pénétrant : quelques cm d’air ou une feuille d’Aluminium suffisent à les arrêter
Caractéristiques des particules β- ?
- Vitesse proche de c
- Charge -e
- particules légères
- Plusieurs m d’air ou mm d’Aluminium pour les arrêter (selon leur énergie)
Caractéristiques des particules β+ ?
- Vitesse proche de c
- Charge e
- particules légères
- plusieurs m d’air ou mm d’Aluminium pour les arrêter (selon leur énergie)
- en fin de parcours : réaction d’annihilation
Equation de désintégration radioactive ?
Noyau père → Noyau fils + Particule(s)
Lois de conservation lors d’une désintégration radioactive ?
=> Conservation de la charge électrique
=> Conservation du nombre de nucléons
=> Conservation de l’énergie
=> Conservation de la quantité de mouvement
Caractéristiques de la radioactivité α ?
- Noyau père : excès de nucléons (noy. lourds)
- Le noyau se libère de cet excès de masse en émettant une particule α : NOYAU d’hélium
- (A/Z) X → (A-4/Z-2) Y(*) + (4/2) He
- Le noyau fils est éventuellement dans un état excité
- [(A/Z) X] → [(A-4/Z-2) Y(*)]²- +[(4/2) He]²+
Conservation de l’énergie avec la radioactivité α ?
mXc² = mαc² + Ecα(i) + mYc² +Eri + Eγi
Spectre énergétique des particules α ?
=> Spectre de raies
=> Spectre discret
Caractéristiques des particules α ?
- très énergétiques (3 à 10 MeV)
- lourdes (6,64.10^-27 kg) ⇒ lentes (≈ 10^7 m.s-1)
- peu pénétrantes
Transition les plus énergétiques des particules α ?
α4 et α5
=> Se sont aussi les plus fréquentes
Caractéristique de la radioactivité β- ?
- Noyau père : excès de neutrons
- Un neutron se transforme en proton avec émission d’un électron (particule β-) et d’un antineutrino de l’électron
- (1/0)n → (1/1)p + (0/-1)e + (0/0)ν(barre)
- (A/Z)X → (A/Z+1)Y(*) + (0/-1)e + (0/0)ν(barre)
- [(A/Z)X] → [(A/Z+1)Y(*)]^+ +(0/-1)e + (0/0)ν (barre)
Conservation de l’énergie radioactivité β- ?
mXc² = mYc² +Eri + Eγi + mec² +Ece(i) + Ec(nu barre)ei
=> Énergie de recul du noyau fils : négligeable
Comment peut on prouver que la réaction de radioactivité β- est possible ?
=> Conservation de l’énergie :
MX ≥ MY → masse des atomes neutres
Caractéristiques du spectre d’énergie des particules β- ?
Spectre continu
Caractéristiques des particules β- ?
- E = 0 à qques MeV mais généralement ≈ 100 keV
- légères ⇒ rapides ( ≈ c) (particules relativistes)
- plus pénétrantes que les α
Caractéristiques de la radioactivité β+ ?
- Noyau père : excès de protons
- Un proton se transforme en neutron avec émission d’un positon (particule β+) et d’un neutrino
- (1/1)p → (1/0)n + (0/1)e + (0/0)ve
- (A/Z)X → (A/Z-1)Y(*)+ (0/1)e + (0/0)ve
- [(A/Z)X] → [(A/Z-1)Y(*)]- +(0/1)e +(0/0)ve
Conservation de l’énergie de la radioactivité β+ ?
mXc² = mYc² + Eri + Eγi + mec² + Ecei + Ecvei
Comment peut on prouver que la réaction de radioactivité β+ est possible ?
=> Conservation de l’énergie
MX - MY ≥ 2me → Masses des atomes neutres
Caractéristique du spectre énergétique des particules β+ ?
=> Spectre continu
Caractéristiques des particules β+ ?
- E = 0 à qques MeV mais généralement ≈ 100 keV
- légères ⇒ rapides (≈ c) (particules relativistes)
- même pouvoir pénétrant que les β- puis annihilation
Condition de la capture électronique ?
Noyau père : excès de proton
Déroulé de la capture électronique ?
Un électron du cortège électronique de l’atome est capté par le noyau et s’associe à un proton pour former un neutron (+ émission d’un neutrino)
Equations de la réaction de capture électronique ?
- (1,1)p + (0,-1)e couche interne → (1,0)n + (0,0)νe
- (A,Z)X + (0,-1)e couche interne → (A,Z-1)Y(*) + (0,0)ve
- [(A,Z)X] → [(A,Z-1)Y()] + (0,0)ve
Rapport entre la massa de l’atome père et fils pour la capture électronique ?
La masse de l’atome père doit être supérieur ou égal à celle de l’atome fils
Que provoque la capture d’une électron d’une couche interne par le noyau ?
Lacune dans le cortège électronique de l’atome
=> Atome neutre, un trou en couche interne ⇒ cortège électronique fortement excité
Caractéristiques de la désexcitation γ ?
- Désexcitation du noyau fils issu de radioactivité α, β-, β+ ou de capture électronique, par émission d’un photon γ
- /!\ Pas forcément passage à l’état fondamental : peut juste ê de + basse énergie
- Seules certaines transitions énergétiques sont permises lors de la désexcitation radiative
Nature du spectre énergétiques des particules γ ?
Spectre de raies
Equation de la désexcitation γ ?
(A,Z)Y* → (A,Z)Y(*) + γ
Qu’est-ce que la conversion interne ?
Désexcitation du noyau fils issu de radioactivité α, β-, β+ ou de capture électronique, par éjection d’un électron du cortège de l’atome (couche interne)
Conséquences de la conversion interne ?
L’atome est ionisé positivement + un trou en couche interne ⇒ cortège électronique fortement excité
Equations de la conversion interne ?
- (A,Z)Y* + (0,-1)e couche interne → (A,Z)Y(*) + (0,-1)e
- [(A,Z)Y] → [(A,Z)Y()]+^* + (0,-1)e
Quels sont les possibles désexcitation du cortège électronique ?
- Émission X
- Effet Auger
Propriétés des émissions X ?
- Désexcitation du cortège électronique (présentant un trou en couche interne) par émission d’un photon X
- [(A,Z)Y]* → (A,Z)Y + X
Propriété de l’effet Auger ?
- Désexcitation du cortège électronique par éjection d’un électron d’une couche interne supérieure à celle du trou
- [(A,Z)Y]* → [(A,Z)Y]^+(*) + (0,-1)e Auger
Quelle est la différence entre les rayons et γ ?
Leur origine et non pas leur énergie : l’un vient de la réorganisation du noyau (γ) l’autre du cortège électronique (X)
Quels sont les différents types de réactions nucléaires existantes ?
- Réactions photonucléaires
- Transformations des noyaux
Caractéristiques des réaction photonucléaires ?
Interactions de photons γ de grande énergie (> 10 MeV) avec les noyaux :
- Excitation du noyau
- Fission du noyau
- Arrachement de un ou plusieurs nucléons
Que peuvent être les transformations des noyaux ?
- Transformations spontanées des noyaux
- Transformations induites par collisions (noyaux-particules ou noyaux-noyaux)
Quelles sont les transformations spontanées des noyaux ?
- Radioactivité (α, β-, β+, capture électronique)
- Fission spontanée : 1 noyau lourd → 2 ou plusieurs noyaux légers
- Émission spontanée de protons ou de neutrons
