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ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE

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Page 1: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE

RADIOACTIVITE

Page 2: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

PARTICULES ELEMENTAIRES

MASSE kg CHARGE C SPIN

Electron 9.109 53 10-31 - 1 .602 189 10-19 ½

Proton 1.672 65 10-27 + 1.602 189 10-19 ½

Neutron 1.674 95 10-27 0 ½

Photon 0 0 1

Neutrino 0 0 ½

Berkeley mécanique V1– Armand Colin Ch. 14

Berkeley V2 Ch. 1 Feynman Mécaniquequantique Ch. 5 – 6 – 11

Cohen-TannoudjiMécanique quantiqueCh. 4 & 6

Invariant relativisteC = 2.997 924 58 108

3 108 m s-1

220 1 cvmm

Page 3: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

EQUIVALENCE MASSE-ENERGIE

E = mc²

Énergie totale

2201

1

cvmm

c= 2.997 924 562 108 3 108 m/s

1 unité de masse atomique = 1/12 masse d ’un atome 12C

1 u.m.a. = 1.66053 10-27 kg

Montrer que 1 u.m.a. = 931,5 MeV/c²

(NA = 6.02217 1023 mole-1)

Page 4: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

LES LOIS DE CONSERVATION

Energie :Quantité numérique qui se conserve E = mc²

Ec = ½ mv²Er = hEt = kTEe = qV

Quantité de mouvement :

Moment cinétique :

Charge électrique :Nombre de leptons : Particules légèresNombre de baryons : Particules lourdes

Références : Alonso-Finn Fundamental University Physicst3 ch. 9 p 397

uh

vmp

prJ

Page 5: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

²

'GFG r

mm

20

'

4

1

r

qqFE

LES FORCES EN PHYSIQUE

Gravitation :

Electro-magnétique :

Nucléaire faible : Désintégration

Nucléaire forte : Cohésion nucléaire

Intensité relative des 4 interactionsForte : 1

Electromagnétique : 10-2

Faible : 10-13

Gravitationnelle : 10-38

22111067.6 kgNmG

2413190 10

36

1AskgmmF

E

Page 6: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

NOYAUX

Symbole :A : Nombre de masseZ : Nombre de charges

Masse :

Energie deliaison :

Excès de masse = M - A (en u.m.a.)

Rayon nucléaire:

Z

NA

X

HN MZMNM

2NHtot cZA,MMNMZE

A

ZA,EE T

my

31

0 ARR 1Fm10R 150

Page 7: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

IsotonesN = Cste

Isot

opes

Z =

Cst

e

Isobares

A = CsteAlonso-Finn Ed Adison-WesleyReading USA 1968

Page 8: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES
Page 9: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Figure 2.8 Énergie moyenne de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse pour les nuclides (et 8Be). Remarquer que l ’échelle change à l ’abscisse A = 30. (Avec l ’autorisation de Evans, 195.)

Page 10: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

DESINTEGRATIONS RADIOACTIVES

PLAN

• Désintégration -, +, ec capture électronique

• Désintégration • Désintégrations électromagnétiques

, ci création de paire interne

Ref: W.E. MEYERHOF Eléments de physique nucléaire - Dunod - Paris 1970

Page 11: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Emission-

n

e-

ep

p

Rp

-e pn

(A, Z) (A, Z+1) + e-

Charge Z = Z+1 -1 0baryons A = A 0 0leptons 0 = 0 +1 -1

v

Lois de conservation

Page 12: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Energétique

=

0Masse Noyau

2νeβ

cmm1ZA,MZA,MEmax

eZmZA,ZA,M M'Masse de l ’atome

2

β1ZA,ZA,E

maxc M'M'

A, Z

A, Z+1-

Nb n

Nb P+

Page 13: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Emission+

n

e+

ep

p

Rp

e np

(A, Z) (A, Z - 1) + e+ + Charge Z = Z - 1 +1 0baryons A = A 0 0leptons 0 = 0 -1 +1

Lois de conservation

Page 14: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Energétique

2νeβ

cmm1ZA,MZA,MEmax

eZmZA,ZA,M M'

2

β21ZA,ZA,E

maxcme M'M'

em11-ZA,1-ZA,M ZM'

(A, Z)

+

2me = 1.022 MeV

(A, Z-1)

Page 15: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES
Page 16: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Capture électronique: ec

Lois de conservation

ne p -

n

e-

ep

Rp

p

(A, Z) + e- (A, Z - 1) +

Charges Z -1 = Z - 1 0baryons A 0 = A 0leptons 0 +1 = 0 -1

K

Page 17: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Energétique

LK,2

e Ec1ZA,MmZA,ME

LK,2 E1ZA,ZA,E cMM

EK,L

(A, Z)

(A, Z-1)

Page 18: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES
Page 19: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES
Page 20: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES
Page 21: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Désintégration

Lois de conservation

A, Z Rp

A - 4Z - 2 p

nn

HeNoyau parent Noyau descendant

(A, Z) (A – 4, Z - 2)Charges Z = Z - 2 + 2baryons A = A - 4 + 4leptons 0 = 0 0

He42

Page 22: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Energétique

2R cM2Z4,-AMZA,MEE E

22Z4,-AZA, cHe42MMM

αd

α

α

d

2R

R EM

M

M2

p

M2

pE

Page 23: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Schémas typiques de désintégrations alpha. (a) Désintégration vers des états excités du

descendant. On indique les spins et les parités. .../... Adapté de Segré, 1964 et de K. Way, N.B. Grove, C.L. McGinnis, R. Nakasima, Energy level of Nuclei, A =

21 à A = 212 et J. Scheer, Energy levels of the Heavy Nuclei, A = 213 à A = 257, dans A. M. et K. H. Hellwege, Ed. Landolt-Bornstein, groupe 1, vol. 1 Energy levels of nuclei, A=5 to A = 257, Springer-Verlag, OHG Berlin, 1961.)

Page 24: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Schémas typiques de désintégrations alpha. (b) Désintégration à partir des états excités du noyau parent (213 Po). Le nombre indiqué à côté de chaque transition donne l ’intensité relative par rapport à 100 transitions de l ’état fondamental .

Page 25: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Emission

Rp

c

Eγp

hEγ

E

E

2*0cM

20 cM

Energétique

20

*0R cMMEγEE

20

2

0

2

0

2R

R M2

E

2M

p

2M

pE

c

En général, on néglige ER

20

*0 cMMEγ

Page 26: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

0

0.140

0.142

MeV99mTc (6h)

99. 32%

0.68%

99Tc (2.12 105 a) -43

Spectre de raies

dE

dN

E keV2

142140

Page 27: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Conversion interne

e-K

L

*E

La conversion interne est produite par la variation du champ coulombien du noyau (direction radiale)

Page 28: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Energétique

0

R

MLK0e EE E*EE ˜

Probabilité de désintégration

Rayons X et électron Auger de réarrangement

Page 29: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Exemple 55

56

136.950

136.9496

(2.60 min)

Page 30: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Création de paire interne

e-ep

Rp E *

e+ ep

Energétique

0

Ree0 EEEMeV 1.022-E*E - ˜

Page 31: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

REACTIONS NUCLEAIRES

a + X b + Y

a: particule incidenteX: cible (au repos dans le système du laboratoireb: produit de la réaction légerY: produit de la réaction lourd

X (a,b) Y

Energétique

Q =

Page 32: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

RADIOACTIVITE

Désintégration d ’un seul radioisotope

La probabilité pour qu ’un noyau se désintègre pendant dt est indépendante de toute influence extérieure.

P(dt) = dt

= constante de désintégration

-dN = P(dt)N = dt N

N = N0 e-t

1 désintégration / s = 1 Bq (Béquerel)

1 Cu = 3.7 1010 Bq

Page 33: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Activité : quantité de particules émises

λt00

e e Ae λNλNdt

dNA t

Période : t ½ ou T

λ

0.693

λ

2Ln T

Page 34: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Production par bombardement nucléaire

Bombardement d ’un échantillon avec des neutrons produisant une quantité Q de radioisotope

λNQdt

dN λte1

λ

QN

Il n ’est pas utile de bombarder plus de 2 à 3 périodes

Page 35: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Désintégration d ’un descendant radioactif. (a) Parent ayant une courte période. (b) Parent ayant une grande période

Page 36: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Exemple - exercice

9942 Mo

Tc9943

Ru9944

99m43Tc

0.45 MeV

e-MeV

T = 66.5 h

-87%

T = 6 h2 keV

140 keV99%

keV

98.905939307

T=2,14.105 ans

? MeV

98.906254554

1) Compléter le schéma ci-dessus

2) calculer le temps où la quantité de 99mTc sera maximum en fonction du nombre initial N10 de Mo99

42

? % ?

1,357 Mev

?

?

? %

? %

Page 37: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

SPECTROMETRIE NUCLEAIRESYNTHESE

Soit une source présentant le schéma de désintégration suivant:

Page 38: ELEMENTS DE PHYSIQUE NUCLEAIRE RADIOACTIVITE. PARTICULES ELEMENTAIRES

Le spectre d ’une telle source présentera les caractéristiques suivantes: