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Qu’est-ce que Alpha Decay vs Beta Decay – Radioactivité – Définition

Alpha Decay vs Beta Decay. Cet article résume les principales différences entre la désintégration alpha et bêta, qui ont une nature différente. Les particules bêta sont des électrons de haute énergie, tandis que les particules alpha sont des noyaux d’atomes d’hélium. Dosimétrie des rayonnements

La désintégration alpha  (ou désintégration α et également la radioactivité alpha ) représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Cette transition peut être caractérisée comme:

Alpha Decay - Alpha Radioactivité

Comme le montre la figure, la particule alpha est émise lors de la désintégration alpha. Les particules alpha sont des noyaux énergétiques d’hélium . 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 la pratique, ce mode de désintégration n’a été observé que dans des nucléides considérablement plus lourds que le nickel, les émetteurs alpha les plus légers connus étant les isotopes les plus légers (masse 106–110) du tellure (élément 52). Dans les réacteurs nucléaires, la désintégration alpha se produit par exemple dans le combustible (désintégration alpha des noyaux lourds). Les particules alpha sont généralement émises par tous les noyaux radioactifs lourds présents dans la nature ( uranium , thorium ou radium), ainsi que par les éléments transuraniens (neptunium, plutonium ou américium).L'uranium 238 se désintègre.

Théorie de la désintégration alpha – Tunnelisation quantique

Parmi la variété de canaux dans lesquels un noyau se désintègre, la désintégration alpha a été l’une des plus étudiées. Le canal de désintégration alpha dans les noyaux lourds et super lourds a fourni des informations sur les propriétés fondamentales des noyaux loin de la stabilité, telles que leurs énergies à l’état fondamental et la structure de leurs niveaux nucléaires.

La désintégration alpha est un processus de tunnel quantique . Pour être émise, la particule alpha doit pénétrer une barrière de potentiel. Ceci est similaire à la désintégration de l’amas , dans lequel un noyau atomique émet un petit « amas » de neutrons et de protons (par exemple 12 C).

La hauteur de la barrière de Coulomb pour les noyaux de A «200 est d’environ 20-25 MeV . Les particules alpha émises lors de la désintégration nucléaire ont des énergies typiques d’environ 5 MeV. D’une part, une particule alpha 5 MeV entrante est dispersée à partir d’un noyau lourd et elle ne peut pas pénétrer la barrière de Coulomb et se rapprocher suffisamment du noyau pour interagir via la force forte. D’un autre côté, une particule alpha de 5 MeV liée dans un puits de potentiel nucléaire est capable de tunneler cette même barrière coulombienne.

désintégration alpha - tunneling quantiqueEn 1928, George Gamow (et de façon indépendante par Ronald Gurney et Edward Condon ) avait résolu la théorie de la désintégration alpha via le tunnelage quantique. Ils ont supposé que la particule alpha et le noyau fille existaient dans le noyau parent avant sa dissociation, à savoir la désintégration des états quasi-stationnaires (QS). Un état quasi stationnaire est défini comme un état à longue durée de vie qui finit par se désintégrer. Initialement, l’amas alpha oscille dans le potentiel du noyau fille, le potentiel Coulomb empêchant leur séparation. La particule alpha est piégée dans un puits potentiel par le noyau. Classiquement, il est interdit de s’échapper, mais selon les principes (alors) nouvellement découverts de la mécanique quantique, il a une probabilité minime (mais non nulle) de «creuser un tunnel» à travers la barrière et d’apparaître de l’autre côté pour s’échapper du noyau . En utilisant le mécanisme de tunnelisation, Gamow, Condon et Gurney ont calculé la pénétrabilité de la particule α de tunnelisation à travers la barrière de Coulomb, trouver la durée de vie de certains noyaux émetteurs α. Le principal succès de ce modèle a été la reproduction de la loi semi-empirique de Geiger-Nuttall qui exprime les durées de vie des émetteurs α en termes d’énergies des particules α libérées. Il faut noter que d’autres formes courantes de désintégration (par exemple la désintégration bêta) sont régies par l’interaction entre la force nucléaire et la force électromagnétique.

Référence spéciale: WSC Williams. Physique nucléaire et des particules. Clarendon Press; 1 édition, 1991, ISBN: 978-0198520467.

 

La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission de la particule bêta. Cette transition ( β  désintégration ) peut être caractérisée comme:

Beta Decay - Radioactivité bêta - définition

Si un noyau émet une particule bêta, il perd un électron (ou positron). Dans ce cas, le nombre de masse du noyau fille reste le même, mais le noyau fille formera un élément différent.

Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma . Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. Il existe les formes de désintégration bêta suivantes:

  • Désintégration bêta négative – désintégration d’électrons. Dans la désintégration d’électrons, un noyau riche en neutrons émet un électron à haute énergie (β  particule). Les électrons sont des particules presque sans masse chargées négativement. En raison de la loi de conservation de la charge électrique, la charge nucléaire doit augmenter d’une unité. Dans ce cas, le processus peut être représenté par: 
  • Désintégration bêta positive – Désintégration des positrons. Dans la désintégration des positons, un noyau riche en protons émet un positron (les positrons sont des antiparticules d’électrons, et ont la même masse que les électrons mais une charge électrique positive), et réduit ainsi la charge nucléaire d’une unité. Dans ce cas, le processus peut être représenté par: Une annihilation se produit, lorsqu’un positron de basse énergie entre en collision avec un électron de basse énergie.
  • Inverse Beta Decay – Capture d’électrons . La capture d’électrons , également connue sous le nom de désintégration bêta inverse, est parfois incluse comme type de désintégration bêta, car le processus nucléaire de base, médié par l’interaction faible, est le même. Dans ce processus, un noyau riche en protons peut également réduire sa charge nucléaire d’une unité en absorbant un électron atomique. 

Théorie de la désintégration bêta – faible interaction

La désintégration bêta est régie par l’ interaction faible . Au cours d’ une désintégration bêta de deux bas quarks se transforme en un quark par l’ émission d’ un W  boson (emporte une charge négative). Le W  boson se désintègre en une particule bêta et un antineutrino . Ce processus est équivalent au processus dans lequel un neutrino interagit avec un neutron.

théorie de la désintégration bêta - interaction faible

Comme on peut le voir sur la figure, la faible interaction change une saveur de quark en une autre. Notez que le modèle standard compte six saveurs de quarks et six saveurs de leptons. L’ interaction faible est le seul processus dans lequel un quark peut changer en un autre quark, ou un lepton en un autre lepton (changement de saveur). Ni l’ interaction forte ni électromagnétiquepermettre le changement de saveur. Ce fait est crucial dans de nombreuses désintégrations de particules nucléaires. Dans le processus de fusion, qui, par exemple, alimente le Soleil, deux protons interagissent via la force faible pour former un noyau de deutérium, qui réagit davantage pour générer de l’hélium. Sans l’interaction faible, le diproton se désintégrerait en deux protons non liés à l’hydrogène-1 par émission de protons. En conséquence, le soleil ne brûlerait pas sans lui car l’interaction faible provoque la transmutation p -> n.

Contrairement à la désintégration alpha , ni la particule bêta ni son neutrino associé n’existent dans le noyau avant la désintégration bêta, mais sont créés au cours du processus de désintégration. Par ce processus, les atomes instables obtiennent un rapport plus stable de protons aux neutrons. La probabilité de décomposition d’un nucléide en raison de la bêta et d’autres formes de décomposition est déterminée par son énergie de liaison nucléaire. Pour que l’émission d’électrons ou de positons soit possible sur le plan énergétique, la libération d’énergie (voir ci-dessous) ou la valeur Q doit être positive.

 

Spectre énergétique de la désintégration bêta

Dans  les désintégrations alpha  et  gamma , la particule résultante (particule alpha  ou  photon ) a une  distribution d’énergie étroite , car la particule transporte l’énergie de la différence entre les états nucléaires initial et final. Par exemple, en cas de désintégration alpha, lorsqu’un noyau parent se décompose spontanément pour donner un noyau fille et une particule alpha, la somme de la masse des deux produits n’est pas tout à fait égale à la masse du noyau d’origine (voir  Défaut de masse ) . Du fait de la loi de conservation de l’énergie, cette différence apparaît sous la forme de l’  énergie cinétique de la particule alpha. Étant donné que les mêmes particules apparaissent en tant que produits à chaque décomposition d’un noyau parent particulier, la différence de masse doit  toujours être la même et l’ énergie cinétique  des particules alpha doit également toujours être la même. En d’autres termes, le faisceau de particules alpha doit être  monoénergétique . 

On s’attendait à ce que les mêmes considérations tiennent pour un noyau parent se décomposant en un noyau fille et  une particule bêta . Étant donné que seuls l’électron et le noyau fille en recul ont été observés, une désintégration bêta, le processus était initialement  supposé être un processus à deux corps , tout comme la désintégration alpha. Il semblerait raisonnable de supposer que les particules bêta formeraient également un  faisceau monoénergétique .

Pour démontrer de deux energetics corps désintégration bêta, considérer la désintégration bêta dans laquelle un électron est émis et le noyau parent est au repos,  onservation de l’ énergie  exige:

conservation-de-l'énergie-désintégration bêta

Étant donné que l’électron est une particule beaucoup plus légère, il était prévu qu’il emporterait la majeure partie de l’énergie libérée, ce qui aurait une valeur unique  e- .

Spectre énergétique de la désintégration bêta
La forme de cette courbe d’énergie dépend de la fraction de l’énergie de réaction (valeur Q – la quantité d’énergie libérée par la réaction) qui est transportée par l’électron ou le neutrino.

Mais la réalité était différente . Cependant, le spectre des particules bêta mesuré par Lise Meitner et Otto Hahn en 1911 et par Jean Danysz en 1913 montrait plusieurs lignes sur un fond diffus. De plus, pratiquement toutes les particules bêta émises ont des énergies inférieures à celles prédites par la conservation de l’énergie dans les désintégrations à deux corps. Les électrons émis dans  la désintégration bêta ont un  spectre continu plutôt qu’un spectre discret qui semble contredire la conservation de l’énergie, dans l’hypothèse alors actuelle que la désintégration bêta est la simple émission d’un électron à partir d’un noyau. Lorsque cela a été observé pour la première fois,  il semblait menacer la survie de l’une des lois de conservation les plus importantes en physique !

Pour tenir compte de cette libération d’énergie,  Pauli a proposé  (en 1931) qu’il y ait émis dans le processus de désintégration  une autre particule , appelée plus tard par Fermi le  neutrino . Il est clair que cette particule doit être très pénétrante et que la conservation de la charge électrique nécessite que le neutrino soit électriquement neutre. Cela expliquerait pourquoi il était si difficile de détecter cette particule. Le terme neutrino vient de l’italien qui signifie «petit neutre» et les neutrinos sont désignés par la lettre grecque  ν (nu) . Dans le processus de désintégration bêta, le neutrino transporte l’énergie manquante et dans ce processus, la loi de  conservation de l’énergie reste valide .

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