Qu’est-ce que la désintégration alpha – Radioactivité alpha – Définition

La désintégration alpha ou la désintégration α représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. La désintégration alpha est un processus de tunnel quantique. Pour être émise, la particule alpha doit pénétrer une barrière de potentiel. 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.

L'uranium 238 se désintègre.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 (nombres de masse 106 à 110) de 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).

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 des grappes , dans laquelle un noyau atomique émet une petite « grappe » 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 manière 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 minuscule (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 tunneling, Gamow, Condon et Gurney ont calculé la pénétrabilité de la particule α tunneling à travers la barrière de Coulomb, trouver les durées 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.

Loi Geiger-Nuttall

La loi de Geiger-Nuttall est une loi semi-empirique qui exprime la durée de vie (demi-vie) de l’émetteur alpha en termes d’énergie de la particule alpha libérée. En d’autres termes, il déclare que les isotopes à courte durée de vie émettent plus de particules alpha énergétiques que celles à longue durée de vie. Cette règle a été formulée par Hans Geiger et John Mitchell Nuttall en 1911 avant le développement de la formulation théorique. La loi de Geiger-Nuttall peut être exprimée mathématiquement comme:

Loi de Geiger-Nuttall - équation

où a et b sont des constantes empiriques qui se trouvent à partir de tracés logarithmiques de données expérimentales. R α représente la plage linéaire de la particule alpha, c’est donc une mesure directe de l’énergie cinétique de la particule alpha. La largeur de la résonance (Γ) est généralement liée à la durée de vie moyenne (τ) du noyau excité par la relation: Γ = ℏ / τ

Lois de conservation dans Alpha Decay

En analysant les réactions nucléaires , nous appliquons les nombreuses lois de conservation . Les réactions nucléaires sont soumises aux lois classiques de conservation pour la charge, la quantité de mouvement, la quantité de mouvement angulaire et l’énergie (y compris les énergies de repos). Les lois de conservation supplémentaires, non prévues par la physique classique, sont:

Certaines de ces lois sont respectées en toutes circonstances, d’autres non. Nous avons accepté la conservation de l’énergie et de l’élan. Dans tous les exemples donnés, nous supposons que le nombre de protons et le nombre de neutrons sont conservés séparément. Nous trouverons des circonstances et des conditions dans lesquelles cette règle n’est pas vraie. Lorsque nous envisageons des réactions nucléaires non relativistes, c’est essentiellement vrai. Cependant, lorsque nous envisageons les énergies nucléaires relativistes ou celles impliquant les interactions faibles, nous constaterons que ces principes doivent être étendus.

Certains principes de conservation sont nés de considérations théoriques, d’autres ne sont que des relations empiriques. Néanmoins, toute réaction non expressément interdite par les lois sur la conservation se produira généralement, peut-être à un rythme lent. Cette attente est basée sur la mécanique quantique. À moins que la barrière entre les états initial et final ne soit infiniment élevée, il y a toujours une probabilité non nulle qu’un système fasse la transition entre eux.

Aux fins de l’analyse des réactions non relativistes, il suffit de noter quatre des lois fondamentales régissant ces réactions.

  1. Conservation des nucléons . Le nombre total de nucléons avant et après une réaction est le même.
  2. Conservation de la charge . La somme des charges sur toutes les particules avant et après une réaction est la même
  3. Conservation de l’élan . L’élan total des particules en interaction avant et après une réaction est le même.
  4. Conservation de l’énergie . L’énergie, y compris l’énergie de masse au repos, est conservée dans les réactions nucléaires.

Référence: Lamarsh, John R. Introduction au génie nucléaire 2e édition

Alpha Decay – Valeur Q

En physique nucléaire et physique des particules, l’ énergétique des réactions nucléaires est déterminée par la valeur Q de cette réaction. La valeur Q de la réaction est définie comme la différence entre la somme des masses au repos des réactifs initiaux et la somme des masses des produits finaux , en unités d’énergie (généralement en MeV).

Considérons une réaction typique, dans laquelle le projectile a et la cible A donnent lieu à deux produits, B et b. Cela peut également être exprimé dans la notation que nous avons utilisé jusqu’à présent, a + A → B + b , ou même dans une notation plus compacte, A (a, b) B .

Voir aussi: E = mc2

La valeur Q de cette réaction est donnée par:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c 2

Lors de la description de la désintégration alpha (une réaction sans projectile), le noyau se désintégrant est généralement appelé noyau parent et le noyau restant après l’événement comme noyau fille. La masse totale au repos du noyau fille et du rayonnement nucléaire libéré dans une désintégration alpha, m Fille + m Rayonnement , est toujours inférieure à celle du noyau parent, m parent . La différence masse-énergie,

Q = [m parent – (m Fille + m Rayonnement )] c 2

apparaît comme l’énergie de désintégration, libérée dans le processus. Par exemple, la valeur Q d’une désintégration alpha typique est:

désintégration alpha - valeur q - exemple

L’énergie de désintégration d’environ 5 MeV est l’énergie cinétique typique des particules alpha. Afin de respecter la loi de conservation de la quantité de mouvement, la majeure partie de l’énergie de désintégration doit apparaître comme l’énergie cinétique de la particule alpha. Après une désintégration alpha ou bêta, le noyau fille est souvent laissé dans un état d’énergie excité. Afin de se stabiliser, il émet ensuite des photons de haute énergie, des rayons γ.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci