Qu’est-ce que le rayonnement bêta – Définition

Le rayonnement bêta se compose d’électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Ces particules sont appelées particules bêta. Quel est le rayonnement bêta. Dosimétrie des rayonnements

Formes de rayonnement ionisant

Interaction du rayonnement avec la matière
Interaction du rayonnement avec la matière

Le rayonnement ionisant est classé selon la nature des particules ou des ondes électromagnétiques qui créent l’effet ionisant. Ces particules / ondes ont des mécanismes d’ionisation différents et peuvent être regroupées comme:

  • Directement ionisant . Les particules chargées ( noyaux atomiques, électrons, positrons, protons, muons, etc. ) peuvent ioniser les atomes directement par interaction fondamentale à travers la force de Coulomb si elle transporte suffisamment d’énergie cinétique. Ces particules doivent se déplacer à des vitesses relativistes pour atteindre l’énergie cinétique requise. Même les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) grâce à l’effet photoélectrique et à l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
    • Rayonnement alpha . Le rayonnement alpha est constitué de particules alpha à haute énergie / vitesse. 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.
    • Rayonnement bêta . Le rayonnement bêta se compose d’électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Elles sont plus pénétrantes que les particules alpha, mais un mince métal d’aluminium peut les arrêter. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha.
  • Ionisant indirectement . Les rayonnements ionisants indirects sont des particules électriquement neutres et n’interagissent donc pas fortement avec la matière. La majeure partie des effets d’ionisation sont dus à des ionisations secondaires.
    • Rayonnement photonique ( rayons gamma ou rayons X). Le rayonnement photonique est constitué de photons de haute énergie . Ces photons sont des particules / ondes (dualité onde-particule) sans masse au repos ni charge électrique. Ils peuvent parcourir 10 mètres ou plus dans les airs. Il s’agit d’une longue distance par rapport aux particules alpha ou bêta. Cependant, les rayons gamma déposent moins d’énergie le long de leurs trajectoires. Le plomb, l’eau et le béton arrêtent le rayonnement gamma. Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, où l’électron relativement énergétique est produit. L’électron secondaire continuera à produire de multiples événements d’ ionisation , donc l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
    • Rayonnement neutronique . Le rayonnement neutronique se compose de neutrons libres à toutes les énergies / vitesses. Les neutrons peuvent être émis par fission nucléaire ou par désintégration de certains atomes radioactifs. Les neutrons ont une charge électrique nulle et ne peuvent pas provoquer directement l’ionisation. Les neutrons n’ionisent la matière qu’indirectement . Par exemple, lorsque les neutrons frappent les noyaux d’hydrogène, il en résulte un rayonnement protonique (protons rapides). Les neutrons peuvent aller des particules à haute vitesse et haute énergie aux particules à basse vitesse et basse énergie (appelées neutrons thermiques). Les neutrons peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air sans aucune interaction.

Rayonnement bêta

Le rayonnement bêta se compose d’électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Ces particules sont appelées particules bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains fragments de fission ou par certains noyaux radioactifs primordiaux tels que le potassium-40. Les particules bêta sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta . Il existe deux formes de désintégration bêta, la désintégration d’électrons (désintégration β−) et la désintégration de positrons (désintégration β +) . Dans un réacteur nucléairese produit surtout la désintégration β−, car la caractéristique commune des produits de fission est un excès de neutrons ( voir Stabilité nucléaire ). Un fragment de fission instable avec l’excès de neutrons subit une désintégration β−, où le neutron est converti en proton, en électron et en antineutrino d’électrons .

désintégration bêta
Désintégration bêta du noyau C-14.

Caractéristiques du rayonnement bêta

Les principales caractéristiques du rayonnement bêta sont résumées dans les points suivants:

  • Les particules bêta  sont des électrons énergétiques, elles sont relativement légères et portent une seule charge négative .
  • Leur masse est égale à la masse des électrons orbitaux avec lesquels ils interagissent et contrairement à la particule alpha, une fraction beaucoup plus importante de son énergie cinétique peut être perdue en une seule interaction.
  • Leur chemin n’est pas si simple. Les particules bêta suivent un chemin très zigzag à travers un matériau absorbant. Ce chemin de particules résultant est plus long que la pénétration linéaire (plage) dans le matériau.
  • Comme elles ont une masse très faible, les particules bêta atteignent principalement des énergies relativistes.
  • Les particules bêta diffèrent également des autres particules chargées lourdes par la fraction d’énergie perdue par processus radiatif connue sous le nom de bremsstrahlung . Par conséquent, pour les rayonnements bêta à haute énergie, les matériaux denses sont inappropriés.
  • Lorsque la particule bêta se déplace plus rapidement que la vitesse de la lumière (vitesse de phase) dans le matériau, elle génère une onde de choc de rayonnement électromagnétique connue sous le nom de rayonnement Cherenkov .
  • L’émission bêta a le spectre continu.
  • Une particule bêta de 1 MeV peut parcourir environ 3,5 mètres dans l’air.
  • En raison de la présence du bremsstrahlung,  les  matériaux à faible numéro atomique (Z) conviennent comme écrans de particules bêta.

Blindage du rayonnement bêta – Electrons

Le rayonnement bêta ionise la matière plus faible que le rayonnement alpha . En revanche, les plages de particules bêta sont plus longues et dépendent fortement de l’énergie cinétique initiale des particules. Certains ont suffisamment d’énergie pour être préoccupés par l’exposition externe. Une particule bêta de 1 MeV peut parcourir environ 3,5 mètres dans l’air. Ces particules bêta peuvent pénétrer dans le corps et déposer la dose dans les structures internes près de la surface. Par conséquent, un blindage plus important qu’en cas de rayonnement alpha est requis.

Les matériaux à faible numéro atomique Z conviennent comme écrans de particules bêta. Avec les matériaux à haute teneur en Z, le bremsstrahlung (rayonnement secondaire – rayons X) est associé. Ce rayonnement est créé lors du ralentissement des particules bêta lorsqu’elles voyagent dans un milieu très dense. Des vêtements lourds, du carton épais ou une fine plaque d’aluminium fourniront une protection contre le rayonnement bêta et empêcheront la production de la bremsstrahlung.

Voir aussi plus de théorie: Interaction du rayonnement bêta avec la matière

Voir aussi calculatrice: Activité bêta au débit de dose 

Blindage du rayonnement bêta – Positrons

Les forces coulombiennes qui constituent le principal mécanisme de perte d’énergie pour les électrons sont présentes pour une charge positive ou négative sur la particule et constituent également le principal mécanisme de perte d’énergie pour les positrons. Quelle que soit l’interaction impliquant une force répulsive ou attractive entre la particule incidente et l’électron orbital (ou noyau atomique), l’impulsion et le transfert d’énergie pour les particules de masse égale  sont à peu près les mêmes . Par conséquent, les positons interagissent de manière similaire avec la matière  lorsqu’ils sont énergétiques . La piste des positrons dans le matériau est similaire à la piste des électrons. Même leur perte d’énergie et leur portée spécifiques sont à peu près les mêmes pour des énergies initiales égales.

À la fin de leur trajet , les positrons diffèrent considérablement des électrons. Lorsqu’un positron (particule d’antimatière) s’immobilise, il interagit avec un électron (particule de matière), entraînant l’annihilation des deux particules et la conversion complète de leur masse au repos en énergie pure (selon la formule E = mc 2 ) sous la forme de deux rayons gamma  (photons) de 0,511 MeV dirigés de façon opposée .

Par conséquent, tout écran de positrons doit également inclure un écran de rayons gamma. Afin de minimiser la bremsstrahlung, un écran anti-rayonnement multicouche est approprié. Le matériau de la première couche doit satisfaire aux exigences de protection contre les rayonnements bêta négatifs . La première couche d’un tel écran peut être par exemple une fine plaque d’aluminium (pour protéger les positrons), tandis que la seconde couche de cet écran peut être un matériau dense tel que du plomb ou de l’uranium appauvri.

Voir aussi: Blindage des rayonnements gamma

Alpha Particle - Cloud Chamber
Particules alpha et électrons (déviés par un champ magnétique) d’une tige de thorium dans une chambre nuageuse.
Source: wikipedia.org
Bremsstrahlung contre ionisation
Perte d’énergie fractionnelle par longueur de rayonnement dans le plomb en
fonction de l’énergie des électrons ou des positons. Source: http://pdg.lbl.gov/
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.

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.

Blindage des rayonnements alpha et bêta

Matériaux de base pour le blindage des particules bêta.

 

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