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Qu'est-ce que l'instabilité nucléaire ?
L'instabilité nucléaire est une caractéristique de certains atomes qui ne sont pas énergétiquement stables en raison de leur contenu en particules.
Cela signifie que ces atomes changeront d'état par le biais de différents processus physiques jusqu'à ce qu'ils atteignent la stabilité énergétique. Ce processus est l'éjection de rayonnements sous forme de protons, de neutrons, de particules bêta ou de photons de haute énergie (rayons gamma), que nous appelons collectivement rayonnements radioactifs.
Ne manque pas de consulter nos explications sur les rayonnements alpha, bêta et gamma et sur la désintégration radioactive.
Comment peut-on représenter l'instabilité nucléaire ?
Le processus par lequel les noyaux deviennent atomiquement stables peut impliquer une variété d'émissions de radiations combinées les unes aux autres. Nous pouvons représenter cela sous forme de graphique pour faciliter notre compréhension. Nous décrivons ci-dessous la courbe N-Z et la série de désintégrations.
Éléments et isotopes
Les atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes du même élément. En d'autres termes, les isotopes ont le même numéro atomique mais des numéros de masse différents.
Pour les éléments légers, l'instabilité est généralement due à un excès de neutrons, de sorte que seuls certains isotopes légers subissent des processus de désintégration. Pour les éléments lourds, l'instabilité est due à un excès de protons et/ou de neutrons, de sorte que tous les isotopeslourds subissent des processus de désintégration.
Bien qu'un élément soit défini par le nombre de protons de ses atomes (qui spécifie une grande partie de ses propriétés chimiques), le nombre de protons est également responsable de certaines caractéristiques des atomes et des substances. Par exemple, les propriétés déterminées par la masse des atomes varient considérablement. Pour les éléments légers comme l'hydrogène, on constate que les propriétés chimiques de ses isotopes (deutérium et tritium) sont également très différentes les unes des autres.
La courbe N-Z
La courbeN-Z est un graphique qui représente les éléments en fonction de leur nombre de protons (Z) et de leur nombre de neutrons (N).
Comme tu le verras dans le graphique ci-dessous, le nombre de neutrons est indiqué sur l'axe vertical et le nombre de protons sur l'axe horizontal. Tu peux également voir une ligne droite correspondant à N = Z, qui donne une référence rapide des éléments qui se trouvent en dessous, au-dessus ou sur la ligne. Cela permet d'obtenir des informations sur leurs propriétés de désintégration.
Nous pouvons également ajouter une autre méthode de représentation (comme un code couleur) qui indique quel type de désintégration les atomes instables subissent pour atteindre la stabilité énergétique. Cette méthode est généralement utilisée pour extraire des informations générales et pertinentes sur la structure des atomes et leurs propriétés de désintégration.
Les propriétés de désintégration ne dépendent que du nombre de protons et de neutrons. Une représentation des désintégrations est donc possible puisque le nombre de protons et de neutrons suffit à spécifier l'élément et l'isotope.
Voici quelques-unes des caractéristiques générales de ce graphique :
- La courbe devient plus raide (au-dessus de la ligne N = Z) à mesure que le nombre de protons augmente. Cela signifie que pour les éléments plus lourds, les atomes ont généralement plus de neutrons que de protons en raison des interactions complexes qui se produisent à l'intérieur des noyaux.
- Lesprocessus de désintégration alpha se produisent dans les atomes qui ont un rapport élevé entre les neutrons et les protons. Tous les isotopes instables sujets à la désintégration alpha se trouvent au-dessus de la ligne N = Z.
- Le rapport entre le nombre de neutrons et le nombre de protons est plus élevé pour les processus de désintégration bêta moins que pour les processus de désintégration bêta plus. Ces derniers peuvent également se produire même si un atome a plus de protons que de neutrons.
- Pour les éléments légers (moins de 20 protons), la stabilité est à peu près assurée par un nombre identique de protons et de neutrons.
- Pour les éléments plus lourds, la stabilité est obtenue en ayant un nombre plus élevé de neutrons que de protons.
- Pour certains éléments, il existe différents isotopes stables (lignes noires verticales dans le graphique). Le cas de l'étain (N = 50) est remarquable puisqu'il possède dix isotopes stables.
- Pour les éléments ayant plus de 82 protons, il n'existe pas de formes stables et des processus de désintégration sont inévitables.
Il existe d'autres types de processus de désintégration que les atomes peuvent subir, comme la fission ou la désintégration des neutrons, que nous n'examinerons pas ici.
Il existe des prédictions théoriques concernant la stabilité des éléments et des isotopes nouvellement créés qui pourraient éclairer la validité des modèles quantiques et de la physique nucléaire. Par exemple, une zone de stabilité appelée "île de stabilité" a été prédite pour certains isotopes d'éléments très lourds qui, en théorie, ne devraient pas se désintégrer.
Il est également important de noter que ce graphique ne contient pas les informations relatives aux noyaux qui résultent des processus de désintégration - il s'agit d'une question très complexe qui ne peut pas être décrite graphiquement de manière simple. Alors que la plupart des atomes instables se désintègrent en un certain atome qui se stabilisera sans autre désintégration alpha/bêta, il existe quatre éléments qui se désintègrent selon quatre séquences caractéristiques très bien étudiées. Ces séquences sont ce que l'on appelle des séries radioactives . Les éléments qui se désintègrent en suivant ces séquences sont le thorium (Z = 90), l'uranium (Z = 92), l'actinium (Z = 89) et le neptunium (Z = 93).
Graphiques sur les rayonnements gamma
Un état métastable est une forme qu'atteint un atome après un processus de désintégration. Cette terminologie ne s'applique qu'au dernier stade de la série radioactive.
Métastable est un état temporel stable : il n'est pas aussi stable que l'état fondamental et pas aussi instable qu'un état excité. Cette instabilité est causée par l'excès d'énergie résultant du processus de désintégration/es. Comme le contenu en particules correspond à un état stable, les atomes libèrent généralement le surplus d'énergie par rayonnement gamma.
Le diagramme ci-dessous montre deux processus de désintégration possibles pour un isotope du cobalt. Après les deux désintégrations bêta possibles, il y a une émission de rayonnement gamma qui amène l'atome à son état stable. Les lignes bleues indiquent les émissions bêta minus possibles associées à certaines énergies (toutes mesurées en mégaélectronvolts). Les lignes rouges indiquent les émissions gamma possibles. Selon l'énergie de la particule bêta émise, l'émission gamma aura plus ou moins d'énergie.
Quelles sont les applications de l'instabilité nucléaire ?
Après la découverte du rayonnement nucléaire par Becquerel à la fin du XIXe siècle et grâceauxétudes de Marie Curie (et d'autres scientifiques), les applications du rayonnement nucléaire sont apparues partout. En voici quelques exemples.
Fusion et fission nucléaires
Lescentrales nucléaires sont l'une des formes les plus connues de production d'énergie. Bien qu'elles ne soient pas une source d'énergie parfaitement propre ou parfaitement renouvelable, les déchets qu'elles produisent sont beaucoup moins importants que ceux produits par les sources non renouvelables (ses déchets sont toutefois extrêmement dangereux).
Les atomes instables qui doivent perdre des neutrons pour atteindre un état stable peuvent être forcés à le faire dans une réaction en chaîne qui peut libérer une quantité incroyablement massive d'énergie. Cette réaction en chaîne est basée sur la rupture de noyaux instables, un processus appelé fission nucléaire. Lorsqu'elle est contrôlée, la réaction peut produire de l'énergie utilisable dans la vie de tous les jours. Si la production n'est pas contrôlée, elle peut être dangereuse.
Il existe cependant des atomes légers qui doivent gagner des particules pour atteindre un état stable (ceux qui se trouvent sous la ligne N = Z de la courbe N-Z). Il s'avère que la réunion de noyaux de ce type (fusion nucléaire) en un nouveau noyau stable libère de l'énergie. C'est le processus qui se produit à l'intérieur des étoiles. Personne n'a réussi à l'utiliser comme source d'énergie sur Terre, mais ce serait idéal car les déchets seraient moins dangereux et plus abondants que dans le cas de la fission. De plus, les noyaux susceptibles d'être utilisés dans la fusion sont beaucoup plus abondants dans la nature que ceux susceptibles d'être utilisés dans la fission.
Isotopes utilisés comme traceurs (métastabilité)
Les noyaux métastables peuvent se désintégrer très rapidement (en quelques jours ou quelques heures). Cette émission de rayonnement caractéristique à court terme nous permet d'utiliser ces atomes comme traceurs. En utilisant des détecteurs de rayonnement gamma et en reconstituant la trajectoire mesurée, nous pouvons retracer avec précision des mouvements spécifiques.
Le technétium 99 est utilisé en médecine pour scanner le corps (le patient l'ingère ou reçoit une injection avant le scanner). Les traceurs émettent des rayonnements qui peuvent être détectés par des caméras sensibles aux photons de haute énergie (gamma-caméras). Les photons détectés sont ensuite analysés et utilisés pour construire une image de l'intérieur du corpsdupatient. Le technétium 99 peut être utilisé pour scanner les os, le cerveau, la thyroïde, les poumons, le foie, le sang et les tumeurs.
En général, différents éléments et substances sont utilisés pour scanner différentes zones d'un sujet dans le cadre d'un processus connu sous le nom de marquage, qui consiste à attacher une source de rayonnement spécifique à un certain type de molécule dans le corps.
Instabilité nucléaire - Points clés
L'instabilité nucléaire est une propriété de certains atomes/noyaux qui apparaît chaque fois qu'il y a un excès de particules subatomiques.
Le processus par lequel les noyaux deviennent atomiquement stables peut impliquer une variété d'émissions de radiations en combinaison les unes avec les autres.
La courbe N-Z est un graphique où tous les atomes connus sont représentés en fonction de leur nombre de protons et de neutrons.
Nous pouvons extraire des caractéristiques générales de la courbe N-Z concernant les schémas des processus de désintégration et la stabilité des éléments.
L'instabilité nucléaire a de nombreuses applications - par exemple, la production d'énergie ou les systèmes de traçage.
Images
Graphique des isotopes par type de désintégration nucléaire. https://commons. wikimedia.org/wiki/File:Table_isotopes_en.svg
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