Qu’est-ce que la particule alpha – Définition

Les particules alpha sont des noyaux énergétiques d’hélium . La production de particules alpha est appelée désintégration alpha. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les particules alpha sont relativement grandes et portent une double charge positive. Ils ne sont pas très pénétrants et un morceau de papier peut les arrêter. Ils ne parcourent que quelques centimètres mais déposent toutes leurs énergies le long de leurs courts trajets. Dans les réacteurs nucléaires, ils sont produits par exemple dans le combustible (désintégration alpha des noyaux lourds). Les particules alpha sont généralement émises par tous les radioactifs lourds noyaux présents dans la nature (uranium, thorium ou radium), ainsi que les éléments transuraniens (neptunium, plutonium ou américium). Des particules alpha particulièrement énergétiques (à l’exception des noyaux d’hélium accélérés artificiellement) sont produites dans un processus nucléaire, connu sous le nom de fission ternaire . Dans ce processus, le noyau d’uranium est divisé en trois particules chargées (fragments de fission) au lieu des deux normales. Le plus petit des fragments de fission est probablement (probabilité de 90%) étant une particule alpha extra énergétique.

Interaction des particules alpha avec la matière

Étant donné que l’interaction électromagnétique s’étend sur une certaine distance, il n’est pas nécessaire qu’une particule alpha fasse une collision directe avec un atome. Ils peuvent transférer de l’énergie simplement en passant à proximité . Les particules alpha interagissent avec la matière principalement par les forces de coulomb entre leur charge positive et la charge négative des électrons des orbitales atomiques. En général, les particules alpha (comme les autres particules chargées) transfèrent l’énergie principalement par:

• Excitation.  La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
• Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque les particules chargées ont suffisamment d’énergie pour retirer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

La création de paires nécessite de l’énergie, qui est perdue de l’énergie cinétique de la particule alpha, ce qui entraîne sa décélération . Les ions positifs et les électrons libres créés par le passage de la particule alpha se réuniront alors, libérant de l’énergie sous forme de chaleur(par exemple énergie vibratoire ou énergie de rotation des atomes). Il existe des différences considérables dans les modes de perte d’énergie et de diffusion entre le passage de particules chargées légères telles que les positrons et les électrons et les particules chargées lourdes telles que les fragments de fission, les particules alpha et les muons. La plupart de ces différences sont basées sur les différentes dynamiques du processus de collision. En général, lorsqu’une particule lourde entre en collision avec une particule beaucoup plus légère (électrons dans les orbitales atomiques), les lois de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement prédisent que seule une petite fraction de l’énergie de la particule massive peut être transférée vers la particule la moins massive. La quantité réelle d’énergie transférée dépend de la distance à laquelle les particules chargées traversent l’atome et elle dépend également des restrictions de quantification des niveaux d’énergie.

Voir aussi: Interaction des particules lourdes chargées avec la matière

Puissance d’arrêt – Formule Bethe

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . Le pouvoir d’arrêt linéaire du matériau est défini comme le rapport de la perte d’énergie différentielle pour la particule dans le matériau à la longueur de trajet différentielle correspondante :

, où T est l’énergie cinétique de la particule chargée, n _ion est le nombre de paires électron-ion formées par unité de longueur de trajet, et I désigne l’énergie moyenne nécessaire pour ioniser un atome dans le milieu. Pour les particules chargées, S augmente à mesure que la vitesse des particules diminue . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe . La formule non relativiste a été trouvée par Hans Bethe en 1930. La version relativiste (voir ci-dessous) a également été trouvée par Hans Bethe en 1932.

Dans cette expression, m est la masse au repos de l’électron, β est égal à v / c, ce qui exprime la vitesse de la particule par rapport à la vitesse de la lumière, γ est le facteur de Lorentz de la particule, Q est égal à sa charge, Z est le numéro atomique du milieu et n est la densité des atomes dans le volume. Pour les particules non relativistes (les particules chargées lourdes sont pour la plupart non relativistes), dT / dx dépend de 1 / v ² . Cela s’explique par le temps plus long que passe la particule chargée dans le champ négatif de l’électron, lorsque la vitesse est faible.

Le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes. Par exemple, la plage d’une particule alpha de 5 MeV est d’environ seulement 0,002 cm en alliage d’aluminium. La plupart des particules alpha peuvent être arrêtées par une feuille de papier ordinaire ou un tissu vivant. Par conséquent, le blindage des particules alpha ne pose pas de problème difficile, mais d’un autre côté, les nucléides radioactifs alpha peuvent entraîner de graves risques pour la santé lorsqu’ils sont ingérés ou inhalés (contamination interne).

Courbe de Bragg

La courbe de Bragg est typique pour les particules alpha et pour d’autres particules chargées lourdes et décrit la perte d’énergie des rayonnements ionisants pendant le voyage à travers la matière. Pour cette courbe est typique le pic de Bragg , qui est le résultat de la   dépendance 1 / v ²  de la puissance d’arrêt. Ce pic se produit parce que la section efficace d’interaction augmente immédiatement avant que la particule ne s’arrête. Pour la majeure partie de la piste, la charge reste inchangée et la perte d’énergie spécifique augmente en fonction du 1 / v ² . Vers la fin de la piste, la charge peut être réduite grâce à la capture d’électrons et la courbe peut tomber.

La courbe de Bragg diffère également quelque peu en raison de l’ effet de décalage . Pour un matériau donné, la gamme sera presque la même pour toutes les particules du même type avec la même énergie initiale. Parce que les détails des interactions microscopiques subies par une particule spécifique varient de façon aléatoire, une petite variation dans la plage peut être observée. Cette variation est appelée étalement et elle est causée par la nature statistique du processus de perte d’énergie qui consiste en un grand nombre de collisions individuelles.

Ce phénomène, décrit par la courbe de Bragg, est exploité en thérapie par particules du cancer, car cela permet de concentrer l’énergie d’arrêt sur la tumeur tout en minimisant l’effet sur les tissus sains environnants.