carte mentale radioactivité physique nucléaire

Comprendre le sujet

La radioactivité est la transformation spontanée de noyaux atomiques instables, qui émettent des rayonnements alpha, bêta ou gamma pour atteindre un état plus stable. Ce phénomène, découvert par Henri Becquerel en 1896 puis étudié par Pierre et Marie Curie, obéit à une loi de décroissance exponentielle caractérisée par la demi-vie. Il intervient en physique nucléaire, en médecine nucléaire, en datation et dans la production d'électricité, tout en posant des questions de radioprotection.

Les trois rayonnements et leurs propriétés
Une désintégration alpha émet un noyau d'hélium 4 : très ionisant, ce rayonnement est stoppé par une feuille de papier mais dangereux si la source est ingérée ou inhalée. La désintégration bêta transforme un neutron en proton (bêta moins) ou un proton en neutron (bêta plus), avec émission d'un électron ou d'un positon accompagné d'un neutrino ; elle est arrêtée par quelques millimètres d'aluminium. Le rayonnement gamma, photon de haute énergie souvent émis après une désintégration alpha ou bêta, est très pénétrant et nécessite des écrans épais de plomb ou de béton. Ces différences expliquent les choix de protection selon la nature de la source.

Demi-vie et loi de décroissance
La demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initialement présents s'est désintégrée. Elle varie énormément selon les nucléides : environ huit jours pour l'iode 131, environ 5 700 ans pour le carbone 14, et plusieurs milliards d'années pour l'uranium 238. La décroissance est exponentielle : après n demi-vies, il reste N0/2^n noyaux. On ne peut pas prédire quand un noyau donné se désintégrera, mais le comportement statistique d'un grand nombre de noyaux suit la loi N(t) = N0 exp(-λt). L'activité, mesurée en becquerels, correspond au nombre de désintégrations par seconde et décroît selon la même loi.

Fission, fusion et énergie nucléaire
La fission consiste en la rupture d'un noyau lourd, comme l'uranium 235 ou le plutonium 239, en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron, avec libération de neutrons qui peuvent entretenir une réaction en chaîne contrôlée dans un réacteur. La fusion réunit au contraire deux noyaux légers, comme des isotopes de l'hydrogène, pour former un noyau plus lourd ; c'est le mécanisme qui alimente les étoiles, mais sa maîtrise sur Terre reste au stade expérimental. Dans les deux cas, la masse des produits est inférieure à celle des réactifs : le défaut de masse est converti en énergie selon la relation d'Einstein E = mc².

Datation au carbone 14
Le carbone 14 est produit en continu dans la haute atmosphère par l'action des rayons cosmiques sur l'azote. Les êtres vivants échangent du carbone avec leur environnement et maintiennent un rapport carbone 14 sur carbone 12 proche de celui de l'atmosphère. À la mort de l'organisme, cet échange cesse et le carbone 14, de demi-vie d'environ 5 700 ans, se désintègre sans être renouvelé. En mesurant l'activité résiduelle d'un échantillon organique, on estime son âge jusqu'à environ 50 000 ans. La méthode repose sur l'hypothèse d'une production atmosphérique relativement stable, ce qui impose des calibrations pour les périodes où elle a varié.