Qu’est-ce qu’une particule bêta – Définition

Les particules / rayonnements bêta sont des électrons ou des positrons à haute énergie et à grande vitesse. Les particules bêta sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. Dosimétrie des rayonnements

Description des particules bêta

Les particules bêta sont des électrons ou des positrons 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 nucléaire se produit en particulier 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.

Spectre de particules bêta

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) transportée par l’électron ou le neutrino.

Au cours de la désintégration bêta, un électron ou un positron est émis. Cette émission s’accompagne de l’émission d’ antineutrino (désintégration β-) ou de neutrino (désintégration β +), qui partage l’énergie et l’élan de la désintégration. L’émission bêta a un spectre caractéristique. Ce spectre caractéristique est dû au fait qu’un neutrino ou un antineutrino est émis avec émission de particules 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 la particule massive. Les particules bêta peuvent donc être émis avec une énergie cinétique quelconque allant de 0 à Q . En 1934, Enrico Fermi avait développé unThéorie de Fermi de désintégration bêta , qui a prédit la forme de cette courbe d’énergie.

Nature de l’interaction du rayonnement bêta avec la matière

Résumé des types d’interactions:

Comparaison de particules dans une chambre nuageuse.
Comparaison de particules dans une chambre nuageuse. Source: wikipedia.org

La nature de l’interaction d’un rayonnement bêta avec la matière est différente du rayonnement alpha , malgré le fait que les particules bêta sont également des particules chargées. Par rapport aux particules alpha, les particules bêta ont une masse beaucoup plus faible et atteignent principalement des énergies relativistes . 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. Étant donné que les particules bêta atteignent principalement les énergies relativistes, la formule non relativiste de Bethe ne peut pas être utilisée. Pour les électrons de haute énergie, une expression similaire a également été dérivée par Bethedécrire la perte d’énergie spécifique due à l’ excitation et à l’ionisation (les «pertes par collision»).

Formule Bethe modifiée pour les particules bêta.
Formule Bethe modifiée pour les particules bêta.

De plus, les particules bêta peuvent interagir via une interaction électron-nucléaire (diffusion élastique des noyaux), ce qui peut modifier considérablement la direction des particules bêta . Par conséquent, leur chemin n’est pas si simple. Les particules bêta suivent un chemin très zigzag à travers le matériau absorbant, ce chemin de particules résultant est plus long que la pénétration linéaire (plage) dans le matériau.

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 . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung («rayonnement de freinage») .

Il existe un autre mécanisme par lequel les particules bêta perdent de l’énergie via la production de rayonnement électromagnétique. 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 .

Les positrons interagissent de manière similaire avec la matière lorsqu’ils sont énergétiques . Mais lorsque le positron s’immobilise , il interagit avec un électron chargé négativement, entraînant l’annihilation de la paire électron-positron.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung
Lorsqu’un électron est accéléré ou décéléré, il émet un rayonnement et perd ainsi de l’énergie et ralentit. Ce rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung.

Le bremsstrahlung  est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’une particule chargée lorsqu’elle est déviée par des champs magnétiques (un électron par le champ magnétique d’un accélérateur de particules) ou une autre particule chargée (un électron par un noyau atomique). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est «rayonnement de freinage» . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie.

Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules chargées de lumière avec la matière (en particulier avec des numéros atomiques élevés ).

Les deux occurrences les plus courantes de bremsstrahlung sont les suivantes:

  • Décélération de la particule chargée. Lorsque des particules chargées pénètrent dans un matériau, elles sont ralenties par le champ électrique des noyaux atomiques et des électrons atomiques.
  • Accélération des particules chargées. Lorsque des particules chargées ultra-relativistes se déplacent à travers des champs magnétiques, elles sont obligées de se déplacer le long d’un chemin incurvé. Comme leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent donc des bremsstrahlung, dans ce cas, ils sont appelés rayonnement synchrotron .
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/

Étant donné que le bremsstrahlung est beaucoup plus fort pour les particules plus légères, cet effet est beaucoup plus important pour les particules bêta que pour les protons, les particules alpha et les noyaux chargés lourds ( fragments de fission ). Cet effet peut être négligé à des énergies de particules inférieures à environ 1 MeV , car la perte d’énergie due à la bremsstrahlung est très faible. La perte de rayonnement ne devient importante qu’à des énergies de particules bien supérieures à l’énergie d’ionisation minimale. Aux énergies relativistes, le rapport du taux de perte par bremsstrahlung au taux de perte par ionisation est approximativement proportionnel au produit de l’énergie cinétique de la particule et au numéro atomique de l’absorbeur.

La section transversale de bremsstrahlung dépend principalement de ces termes:

Formule de la section transversale de Bremsstrahlung

Ainsi, le rapport des puissances d’arrêt des bremsstrahlung et des pertes d’ionisation est:

Bremsstrahlung à l'ionisation perd le rapport

, où E est l’énergie cinétique de la particule (électron), Z est le numéro atomique moyen du matériau et E ‘est une constante de proportionnalité; E ‘≈ 800 MeV . L’énergie cinétique à laquelle la perte d’énergie par bremsstrahlung est égale à la perte d’énergie par ionisation et excitation (pertes par collision) est appelée énergie critique . Un autre paramètre est la longueur de rayonnement , définie comme la distance sur laquelle l’énergie de l’électron incident est réduite d’un facteur 1 / e (0,37) en raison des seules pertes de rayonnement. Le tableau suivant donne quelques valeurs typiques:

Tableau des énergies critiques et des longueurs de rayonnement

Rayonnement Cherenkov

Le rayonnement cherenkov est un rayonnement électromagnétique émis lorsqu’une particule chargée (comme un électron) se déplace à travers un milieu diélectrique plus rapidement que la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu . Elle est similaire à la vague d’étrave produite par un bateau voyageant plus vite que la vitesse des vagues d’eau. Le rayonnement Cherenkov ne se produit que si la vitesse des particules est supérieure à la vitesse de phase de la lumière dans le matériau. Même aux hautes énergies, l’ énergie perdue par le rayonnement de Cherenkov est bien inférieure à celle des autres mécanismes (collisions, bremsstrahlung). Il est nommé d’après le physicien soviétique Pavel Alekseyevich Cherenkov , qui a partagé le prix Nobel de physique en 1958 avecIlya Frank et Igor Tamm pour la découverte du rayonnement Cherenkov, réalisée en 1934.

rayonnement cherenkov
Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Rayonnement Cherenkov dans le cœur du réacteur.
Rayonnement Cherenkov dans le cœur du réacteur.

Le rayonnement Cherenkov peut être utilisé pour détecter des particules chargées à haute énergie (en particulier les particules bêta). Dans les réacteurs nucléaires ou dans une piscine de combustible nucléaire usé, des particules bêta (électrons de haute énergie) sont libérées lorsque les fragments de fission se désintègrent. La lueur est également visible après l’arrêt de la réaction en chaîne (dans le réacteur). Le rayonnement cherenkov peut caractériser la radioactivité restante du combustible nucléaire irradié, il peut donc être utilisé pour mesurer la combustion du combustible.

Interactions avec les positrons

Production de paire en chambreLes 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 .

Annihilation de positrons

annihilation de positrons
Lorsqu’un positron (particule d’antimatière) s’arrête, il interagit avec un électron, entraînant l’annihilation des deux particules et la conversion complète de leur masse au repos en énergie pure sous la forme de deux photons de 0,511 MeV dirigés de façon opposée.

L’annihilation électron-positon se produit lorsqu’un électron chargé négativement et un positron chargé positivement entrent en collision. La production d’ un seul photon est interdite en raison de la conservation de la quantité de mouvement linéaire et de l’énergie totale. La production d’une autre particule est également interdite car les deux particules (électron-positron) ne transportent pas ensemble suffisamment d’énergie de masse pour produire des particules plus lourdes. Lorsqu’un électron et un positron entrent en collision, ils s’annihilent, entraînant 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.

 + e + → γ + γ (2x 0,511 MeV)

Ce processus doit satisfaire à un certain nombre de lois sur la conservation, notamment:

  • Conservation de la charge électrique. La charge nette avant et après est nulle.
  • Conservation de la quantité de mouvement linéaire et de l’énergie totale. T
  • Conservation de l’élan angulaire.

Blindage des particules 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 calculatrice: Activité bêta au débit de dose 

Blindage des rayonnements alpha et bêta

Blindage des particules 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 deuxième couche de cet écran peut être un matériau dense tel que du plomb ou de l’uranium appauvri.

Voir aussi: Blindage des rayonnements gamma

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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