Désintégration alpha - Alpha decay

Représentation visuelle de la désintégration alpha

Désintégration alpha ou α-carie est un type de désintégration radioactive dans lequel un noyau atomique émet une particule alpha (noyau d' hélium) et ainsi transformées ou « désintégrations » en un autre noyau atomique, avec un nombre de masse qui est réduite par quatre et un atomique nombre qui est réduit de deux. Une particule alpha est identique au noyau d'un atome d' hélium-4 , qui se compose de deux protons et de deux neutrons . Il a une charge de+2  e et une masse devous . Par exemple, l' uranium-238 se désintègre pour former du thorium-234 . Les particules alpha ont une charge +2  e , mais comme une équation nucléaire décrit une réaction nucléaire sans tenir compte des électrons - une convention qui n'implique pas que les noyaux se produisent nécessairement dans des atomes neutres - la charge n'est généralement pas indiquée. La désintégration alpha se produit généralement dans les nucléides les plus lourds. Théoriquement, il ne peut se produire que dans des noyaux un peu plus lourds que le nickel (élément 28), où l' énergie globale de liaison par nucléon n'est plus maximale et les nucléides sont donc instables vis-à-vis des processus spontanés de type fission. En pratique, ce mode de désintégration n'a été observé que dans des nucléides considérablement plus lourds que le nickel, les émetteurs alpha connus les plus légers étant les isotopes les plus légers (nombres de masse 104 à 109) du tellure (élément 52). Exceptionnellement, cependant, le béryllium-8 se désintègre en deux particules alpha. La désintégration alpha est de loin la forme la plus courante de désintégration en amas , où l' atome parent éjecte une collection fille définie de nucléons, laissant derrière lui un autre produit défini. C'est la forme la plus courante en raison de l' énergie de liaison nucléaire extrêmement élevée combinée et d'une masse relativement faible de la particule alpha. Comme d'autres désintégrations d'amas, la désintégration alpha est fondamentalement un processus d' effet tunnel quantique . Contrairement à la désintégration bêta , elle est régie par l'interaction entre la force nucléaire forte et la force électromagnétique . Les particules alpha ont une énergie cinétique typique de 5 MeV (ou ≈ 0,13 % de leur énergie totale, 110 TJ/kg) et ont une vitesse d'environ 15 000 000 m/s, soit 5 % de la vitesse de la lumière . Il existe une variation étonnamment faible autour de cette énergie, en raison de la forte dépendance de la demi-vie de ce processus vis-à-vis de l'énergie produite. En raison de leur masse relativement importante, la charge électrique de+2  e et vitesse relativement faible, les particules alpha sont très susceptibles d'interagir avec d'autres atomes et de perdre leur énergie, et leur mouvement vers l'avant peut être stoppé par quelques centimètres d' air . Environ 99 % de l' hélium produit sur Terre est le résultat de la désintégration alpha de gisements souterrains de minéraux contenant de l' uranium ou du thorium . L'hélium est remonté à la surface en tant que sous-produit de la production de gaz naturel .

Histoire

Les particules alpha ont été décrites pour la première fois dans les recherches sur la radioactivité d' Ernest Rutherford en 1899 et, en 1907, elles ont été identifiées comme des ions He 2+ . En 1928, George Gamow avait résolu la théorie de la désintégration alpha par effet tunnel. La particule alpha est piégée à l'intérieur du noyau par un puits de potentiel nucléaire attractif et une barrière de potentiel électromagnétique répulsive . Classiquement, il est interdit de s'échapper, mais selon les principes (alors) nouvellement découverts de la mécanique quantique , il a une probabilité infime (mais non nulle) de « creuser un tunnel » à travers la barrière et d'apparaître de l'autre côté pour échapper au noyau. . Gamow a résolu un potentiel modèle pour le noyau et a dérivé, à partir des premiers principes, une relation entre la demi-vie de la désintégration et l'énergie de l'émission, qui avait été précédemment découverte empiriquement et était connue sous le nom de loi Geiger-Nuttall .

Mécanisme

La force nucléaire qui maintient un noyau atomique ensemble est très forte, en général beaucoup plus forte que les forces électromagnétiques répulsives entre les protons. Cependant, la force nucléaire est également à courte portée, diminuant rapidement en force au-delà d'environ 1 femtomètre , tandis que la force électromagnétique a une portée illimitée. La force de la force nucléaire attractive qui maintient un noyau ensemble est donc proportionnelle au nombre de nucléons, mais la force électromagnétique perturbatrice totale essayant de briser le noyau est à peu près proportionnelle au carré de son numéro atomique. Un noyau de 210 nucléons ou plus est si gros que la forte force nucléaire qui le maintient ensemble peut à peine contrebalancer la répulsion électromagnétique entre les protons qu'il contient. La désintégration alpha se produit dans de tels noyaux comme moyen d'augmenter la stabilité en réduisant la taille.

Une curiosité est pourquoi les particules alpha, les noyaux d'hélium, devraient être émises préférentiellement par opposition à d'autres particules comme un seul proton ou neutron ou d' autres noyaux atomiques . Une partie de la raison est l' énergie de liaison élevée de la particule alpha, ce qui signifie que sa masse est inférieure à la somme des masses de deux protons et de deux neutrons. Cela augmente l'énergie de désintégration. Calcul de l'énergie totale de désintégration donnée par l'équation

m i est la masse initiale du noyau, m f est la masse du noyau après émission de particules, et m p est la masse de la particule émise, on constate que dans certains cas elle est positive et donc l'émission de particules alpha est possible , alors que d'autres modes de désintégration nécessiteraient l'ajout d'énergie. Par exemple, le calcul de l' uranium-232 montre que l'émission de particules alpha donne 5,4 MeV d'énergie, alors qu'une seule émission de protons nécessiterait 6,1 MeV. La majeure partie de l'énergie de désintégration devient l' énergie cinétique de la particule alpha elle-même, bien que pour maintenir la conservation de la quantité de mouvement, une partie de l'énergie aille au recul du noyau lui-même (voir recul atomique ). Cependant, comme le nombre de masse de la plupart des radio-isotopes émetteurs alpha dépasse 210, bien supérieur au nombre de masse de la particule alpha (4), la fraction de l'énergie allant au recul du noyau est généralement assez faible, inférieure à 2%, Cependant, l'énergie de recul (sur l'échelle du keV) est encore beaucoup plus grande que la force des liaisons chimiques (sur l'échelle du eV), de sorte que le nucléide fille se détachera de l'environnement chimique dans lequel se trouvait le parent. Les énergies et les rapports de les particules alpha peuvent être utilisées pour identifier le parent radioactif par spectrométrie alpha .

Ces énergies de désintégration, cependant, sont sensiblement plus petites que la barrière de potentiel répulsif créée par la force électromagnétique, qui empêche la particule alpha de s'échapper. L'énergie nécessaire pour amener une particule alpha de l'infini à un point proche du noyau juste à l'extérieur de la plage d'influence de la force nucléaire est généralement de l'ordre d'environ 25 MeV. Une particule alpha peut être considérée comme étant à l'intérieur d'une barrière de potentiel dont les parois sont 25 MeV au-dessus du potentiel à l'infini. Cependant, les particules alpha de désintégration n'ont que des énergies d'environ 4 à 9 MeV au-dessus du potentiel à l'infini, bien moins que l'énergie nécessaire pour s'échapper.

La mécanique quantique, cependant, permet à la particule alpha de s'échapper par effet tunnel quantique. La théorie de l'effet tunnel quantique de la désintégration alpha, développée indépendamment par George Gamow, Ronald Wilfred Gurney et Edward Condon en 1928, a été saluée comme une confirmation très frappante de la théorie quantique. Essentiellement, la particule alpha s'échappe du noyau non pas en acquérant suffisamment d'énergie pour passer par-dessus la paroi la confinant, mais en traversant la paroi. Gurney et Condon ont fait l'observation suivante dans leur article à ce sujet :

Il a été nécessaire jusqu'à présent de postuler une "instabilité" arbitraire spéciale du noyau, mais dans la note suivante, il est souligné que la désintégration est une conséquence naturelle des lois de la mécanique quantique sans aucune hypothèse spéciale... Beaucoup a été écrit de la violence explosive avec laquelle la particule est projetée de sa place dans le noyau. Mais d'après le processus illustré ci-dessus, on dirait plutôt que la particule passe presque inaperçue.

La théorie suppose que la particule alpha peut être considérée comme une particule indépendante dans un noyau, c'est-à-dire en mouvement constant mais maintenue dans le noyau par une interaction forte. À chaque collision avec la barrière de potentiel répulsif de la force électromagnétique, il y a une faible probabilité non nulle qu'elle s'échappe. Une particule alpha avec une vitesse de 1,5 × 10 7  m/s dans un diamètre nucléaire d'environ 10 -14  m entrera en collision avec la barrière plus de 10 21 fois par seconde. Cependant, si la probabilité de fuite à chaque collision est très faible, la demi-vie du radio-isotope sera très longue, puisqu'il s'agit du temps nécessaire pour que la probabilité totale de fuite atteigne 50 %. À titre d'exemple extrême, la demi-vie de l'isotope bismuth-209 est2,01 × 10 19  ans .

Les isotopes dans les isobares stables à désintégration bêta qui sont également stables en ce qui concerne la double désintégration bêta avec un nombre de masse A  = 5, A  = 8, 143 ≤  A  ≤ 155, 160 ≤  A  162 et A  ≥ 165 sont théorisés pour subir alpha carie. Tous les autres nombres de masse ( isobares ) ont exactement un nucléide théoriquement stable ). Ceux de masse 5 se désintègrent en hélium-4 et un proton ou un neutron , et ceux de masse 8 se désintègrent en deux noyaux d'hélium-4 ; leurs demi-vies ( hélium-5 , lithium-5 et béryllium-8 ) sont très courtes, contrairement aux demi-vies de tous les autres nucléides de ce type avec A  209, qui sont très longues. (De tels nucléides avec A  209 sont des nucléides primordiaux sauf 146 Sm.)

L'élaboration des détails de la théorie conduit à une équation reliant la demi-vie d'un radio-isotope à l'énergie de désintégration de ses particules alpha, une dérivation théorique de la loi empirique de Geiger-Nuttall .

Les usages

L'américium-241 , un émetteur alpha , est utilisé dans les détecteurs de fumée . Les particules alpha ionisent l' air dans une chambre à ions ouverte et un petit courant circule dans l'air ionisé. Les particules de fumée du feu qui pénètrent dans la chambre réduisent le courant, déclenchant l'alarme du détecteur de fumée.

Le radium-223 est également un émetteur alpha . Il est utilisé dans le traitement des métastases osseuses (cancers des os).

La désintégration alpha peut fournir une source d'alimentation sûre pour les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes utilisés pour les sondes spatiales et ont été utilisés pour les stimulateurs cardiaques artificiels . La désintégration alpha est beaucoup plus facilement protégée que d'autres formes de désintégration radioactive.

Les éliminateurs d' électricité statique utilisent généralement du polonium-210 , un émetteur alpha, pour ioniser l'air, permettant ainsi à « l'adhérence statique » de se dissiper plus rapidement.

Toxicité

Hautement chargées et lourdes, les particules alpha perdent leurs plusieurs MeV d'énergie dans un petit volume de matière, ainsi qu'un très court libre parcours moyen . Cela augmente le risque de rupture double brin de l'ADN en cas de contamination interne, lorsqu'il est ingéré, inhalé, injecté ou introduit à travers la peau. Sinon, toucher une source alpha n'est généralement pas nocif, car les particules alpha sont efficacement protégées par quelques centimètres d'air, un morceau de papier ou la fine couche de cellules mortes de la peau qui constituent l' épiderme ; cependant, de nombreuses sources alpha sont également accompagnées de filles radio émettrices de bêta , et les deux sont souvent accompagnées d'une émission de photons gamma.

L'efficacité biologique relative (EBR) quantifie la capacité des rayonnements à provoquer certains effets biologiques, notamment le cancer ou la mort cellulaire , pour une exposition équivalente aux rayonnements. Le rayonnement alpha a un coefficient de transfert d'énergie linéaire (LET) élevé, qui correspond à environ une ionisation d'une molécule/un atome pour chaque angström de déplacement de la particule alpha. Le RBE a été fixé à la valeur de 20 pour le rayonnement alpha par diverses réglementations gouvernementales. Le RBE est fixé à 10 pour l' irradiation neutronique et à 1 pour le rayonnement bêta et les photons ionisants.

Cependant, le recul du noyau parent (recul alpha) lui confère une quantité d'énergie importante, ce qui provoque également des dommages d'ionisation (voir rayonnement ionisant ). Cette énergie est à peu près le poids de l'alpha (4  u ) divisé par le poids du parent (généralement environ 200 u) fois l'énergie totale de l'alpha. Selon certaines estimations, cela pourrait expliquer la plupart des dommages internes dus aux rayonnements, car le noyau de recul fait partie d'un atome beaucoup plus gros qu'une particule alpha et provoque une traînée d'ionisation très dense ; l'atome est typiquement un métal lourd , qui s'accumule préférentiellement sur les chromosomes . Dans certaines études, cela a abouti à un RBE approchant 1 000 au lieu de la valeur utilisée dans les réglementations gouvernementales.

Le plus grand contributeur naturel à la dose de rayonnement du public est le radon , un gaz radioactif naturellement présent dans le sol et la roche. Si le gaz est inhalé, certaines des particules de radon peuvent se fixer à la paroi interne des poumons. Ces particules continuent de se désintégrer, émettant des particules alpha, qui peuvent endommager les cellules du tissu pulmonaire. La mort de Marie Curie à l'âge de 66 ans d' une anémie aplasique a probablement été causée par une exposition prolongée à de fortes doses de rayonnements ionisants, mais il n'est pas clair si cela était dû aux rayonnements alpha ou aux rayons X. Curie a beaucoup travaillé avec le radium, qui se désintègre en radon, ainsi qu'avec d'autres matières radioactives qui émettent des rayons bêta et gamma . Cependant, Curie a également travaillé avec des tubes à rayons X non blindés pendant la Première Guerre mondiale, et l'analyse de son squelette lors d'un réinhumation a montré un niveau de charge radio-isotopique relativement faible.

L' assassinat du dissident russe Alexandre Litvinenko en 2006 par empoisonnement aux radiations aurait été perpétré avec du polonium-210 , un émetteur alpha.

Les références

Remarques

Liens externes