Qu’est-ce que la chaîne de désintégration radioactive – Définition

En physique, une chaîne de désintégration radioactive est une séquence de noyaux atomiques instables et leurs modes de désintégration, ce qui conduit à un noyau stable. Les sources de ces noyaux instables sont différentes, mais la plupart des ingénieurs traitent des chaînes de désintégration radioactives naturelles. Dosimétrie des rayonnements

En physique, une chaîne de désintégration radioactive est une séquence de noyaux atomiques instables et leurs modes de désintégration , ce qui conduit à un noyau stable. Les sources de ces noyaux instables sont différentes, mais la plupart des ingénieurs traitent des chaînes de désintégration radioactives naturelles appelées séries radioactives . Notez que, dans les réacteurs nucléaires , il existe de nombreux types de chaînes de désintégration de fragments de fission . Les fragments de fission sont très instables (radioactifs) et subissent d’autres désintégrations radioactives pour se stabiliser. Ces chaînes de désintégration «artificielles» n’appartiennent pas à la série radioactive naturelle.

Série radioactive – Cascade radioactive

Les séries radioactives (également appelées cascades radioactives) sont trois chaînes de désintégration radioactives naturelles  et une chaîne  de désintégration radioactive artificielle de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent à travers une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à ce qu’un noyau stable soit atteint. La plupart des radio  isotopes ne se désintègrent pas directement à un état stable et tous les isotopes de la série se désintègrent de la même manière. En physique des désintégrations nucléaires, le noyau se désintégrant est généralement appelé noyau parent et le noyau restant après l’événement comme noyau fille . Puisque la désintégration alpha représente la désintégration d’unnoyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration . Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du thorium est connue comme la série 4n, la série du neptunium comme la série 4n + 1, la série de l’uranium comme la série 4n + 2 et la série actinium comme la série 4n + 3.

Trois des ensembles sont appelés séries naturelles ou classiques. Le quatrième ensemble, la série neptunium, est dirigé par le neptunium-237. Ses membres sont produits artificiellement par des réactions nucléaires et ne se produisent pas naturellement.

Les séries classiques sont dirigées par des noyaux instables primordiaux . Les nucléides primordiaux sont des nucléides trouvés sur la Terre qui ont existé sous leur forme actuelle avant la formation de la Terre. Les quatre séries précédentes sont constituées des radio-isotopes, qui sont les descendants de quatre noyaux lourds avec des demi-vies longues et très longues:

  • la série thorium avec thorium-232 (avec une demi-vie de 14,0 milliards d’années),
  • la série uranium avec de l’uranium-238 (qui vit pendant 4,47 milliards d’années),
  • la série d’actinium avec l’uranium 235 (avec une demi-vie de 0,7 milliard d’années).
  • la série neptunium avec le neptunium-237 (avec une demi-vie de 2 millions d’années).

Les demi-vies de tous les noyaux filles sont toutes extrêmement variables, et il est difficile de représenter une gamme d’échelles de temps allant de quelques secondes à des milliards d’années. Comme les radio-isotopes filles ont des demi-vies différentes, l’équilibre séculaire est atteint après un certain temps. Dans la longue chaîne de désintégration d’un élément naturellement radioactif, comme l’ uranium-238 , où tous les éléments de la chaîne sont en équilibre séculaire, chacun des descendants a accumulé une quantité d’équilibre et toute décomposition au taux fixé par le parent d’origine. Si et quand l’équilibre est atteint, chaque isotope fille successif est présent en proportion directe avec sa demi-vie. Depuis son activité est inversement proportionnelle à sa demi-vie, chaque nucléide de la chaîne de désintégration apporte finalement autant de transformations individuelles que la tête de chaîne.

Comme on peut le voir sur les figures, la ramification se produit dans les quatre séries radioactives. Cela signifie que la décomposition d’une espèce donnée peut se produire de plusieurs manières. Par exemple, dans la série du thorium, le bismuth-212 se désintègre en partie par émission bêta négative au polonium-212 et en partie par émission alpha au thallium-206.

La cascade radioactive influence de manière significative la radioactivité ( désintégrations par seconde) d’échantillons naturels et de matériaux naturels. Tous les descendants sont présents, au moins de façon transitoire, dans n’importe quel échantillon naturel, qu’il soit métallique, composé ou minéral. Par exemple, l’uranium 238 pur est faiblement radioactif (proportionnel à sa longue demi-vie), mais un minerai d’uranium est environ 13 fois plus radioactif que le métal uranium 238 pur en raison de ses isotopes filles (par exemple le radon, le radium, etc.) il contient. Non seulement les isotopes du radium instables sont d’importants émetteurs de radioactivité, mais en tant qu’étape suivante de la chaîne de désintégration, ils génèrent également du radon, un gaz radioactif naturel lourd et inerte. De plus, la chaleur de désintégration de l’uranium et de ses produits de désintégration (par exemple le radon, le radium, etc.) contribue au réchauffement du cœur de la Terre.

Types de décomposition

Au sein de chaque série radioactive, il existe deux principaux modes de désintégration radioactive:

  • Radioactivité alpha . La désintégration alpha  représente la désintégration d’un  noyau parent  à une fille par l’émission du noyau d’un atome 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. En raison de sa très grande masse (plus de 7 000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, il  ionise le  matériau lourd et a une  très courte portée .
  • Radioactivité bêta . La désintégration bêta  ou  la désintégration β  représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission de la particule bêta. 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. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.

Série Thorium

série thorium - chaîne de désintégrationLa série du thorium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par le thorium-232 naturel . Cette chaîne de désintégration radioactive se compose de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent à travers une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à ce qu’un noyau stable soit atteint. En cas de série thorium, le noyau stable est le plomb-208.

Comme la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série thorium est connue sous le nom de série 4n .

L’ énergie totale libérée du thorium 232 au plomb 208, y compris l’énergie perdue par les neutrinos , est de 42,6 MeV.

Série Neptunium

série neptunium - chaîne de désintégrationLa série neptunium est une série radioactive commençant par le neptunium-237. Ses membres sont produits artificiellement par des réactions nucléaires et ne se produisent pas naturellement, car la demi-vie de l’isotope le plus long de la série est courte par rapport à l’âge de la Terre. Cette chaîne de désintégration radioactive se compose de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent à travers une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à ce qu’un noyau stable soit atteint. En cas de série de neptunium, le noyau stable est le bismuth-209 (avec une demi-vie de 1,9E19 ans) et le thallium-205.

Comme la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série neptunium est connue sous le nom de série 4n + 1 .

L’ énergie totale libérée du neptunium-237 au thallium-205, y compris l’énergie perdue par les neutrinos , est de 50,0 MeV.

Dans certains types de détecteurs de fumée, vous pouvez rencontrer des radionucléides de cette série. Les détecteurs de fumée à ionisation utilisent généralement un radio-isotope, généralement de l’ américium-241 , pour ioniser l’air et détecter la fumée. Dans ce cas, l’américium-241 se désintègre en neptunium-237 et fait en fait partie de la série des neptunium.

Uranium Series

série uranium - chaîne de désintégrationLa série de l’uranium , également connue sous le nom de série du radium, est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium 238 naturel . Cette chaîne de désintégration radioactive se compose de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent à travers une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à ce qu’un noyau stable soit atteint. Dans le cas des séries d’uranium, le noyau stable est le plomb-206.

Comme la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série d’uranium est connue sous le nom de série 4n + 2 .

L’ énergie totale libérée de l’uranium-238 en plomb-206, y compris l’énergie perdue par les neutrinos , est de 51,7 MeV.

Uranium Series et Uranium-234

L’isotope de l’ uranium-234 fait partie de cette série. Cet isotope a une demi-vie de seulement 2,46 × 10 5 ans et n’appartient donc pas aux nucléides primordiaux (contrairement à 235 U et 238 U ). D’autre part, cet isotope est encore présent dans la croûte terrestre, mais cela est dû au fait 234 U est un produit de désintégration indirecte de 238 U . 238 U se désintègre via la désintégration alpha en 234 U. 234U se désintègre via la désintégration alpha en 230Th, sauf une très petite fraction (de l’ordre de ppm) de noyaux qui se désintègre par fission spontanée.

Dans un échantillon naturel d’uranium, ces noyaux sont présents dans les proportions inaltérables de l’ équilibre radioactif de la filiation 238 U dans un rapport d’un atome de 234 U pour environ 18 500 noyaux de 238 U. Du fait de cet équilibre, ces deux les isotopes ( 238 U et 234 U) contribuent également à la radioactivité de l’uranium naturel.

Série Actinium

série actinium - chaîne de désintégrationLa série d’actinium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium 235 naturel . Cette chaîne de désintégration radioactive se compose de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent à travers une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à ce qu’un noyau stable soit atteint. En cas de série d’actinium, le noyau stable est le plomb-207.

Comme la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série d’actinium est connue sous le nom de série 4n + 3 .

L’énergie totale libérée de l’uranium 235 au plomb 207, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 46,4 MeV.

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