1 février 2019 | 
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La radioactivité bêta (β)
Où comment corriger un excès de neutrons ou de protons dans un noyau
Exemple d’une désintégration bêta-moins
Un noyau de Cobalt-60, qui contient 33 neutrons et 27 protons, présente un excès de 6 neutrons (représentés en bleu). Pour se débarrasser de cet excès, un neutron se transforme en proton (représenté en rouge). Le noyau est devenu un noyau stable de nickel-60 avec 28 protons (un de plus) et 32 neutrons (un de moins), mais toujours 60 nucléons. Lors de la désintégration, deux corpuscules sont créés, un électron et un antineutrino qui échappe à la détection.
La radioactivité bêta (β) fut observée sous la forme d’un rayonnement qui était dévié par des champs électriques ou des aimants en sens contraire du rayonnement alpha. Elle est donc portée par des charges électriques négatives. Le physicien anglais J.J. Thomson venait de découvrir en 1897 que l’électricité était transportée par des corpuscules de charge électrique négative, les électrons. Rapidement, le rayonnement bêta fut lui aussi identifié aux électrons.
Il fallut attendre la découverte en 1932 de l’électron positif appelé positon, puis celle de la radioactivité artificielle en 1934, pour mettre en évidence un rayonnement semblable, mais véhiculé par des électrons positifs. On distingue les deux variantes de radioactivité bêta sous les noms de radioactivité bêta-moins et bêta-plus.
La radioactivité bêta est rendue possible par la présence dans le noyau de forces capables de transformer un nucléon d’une espèce dans l’autre (un neutron en proton ou un proton en neutron) : ce sont les forces appelées faibles. Cette transformation ne change pas le nombre de nucléons. Pour compenser le changement de charge un électron ou un positon sont expulsés du noyau. L’émission de l’électron est accompagnée d’une sorte de positon neutre appelé antineutrino, alors que celle du positon l’est d’un électron neutre (un neutrino).
La transformation libère de l’énergie. Son alternative, l’expulsion d’un neutron ou d’un proton n’est énergétiquement possible que pour les noyaux très éloignés de la stabilité.
Une cinématique à trois corps
Lors d’une désintégration bêta, l’énergie disponible se partage entre un noyau qui recule, un électron et un antineutrino. Le noyau étant initialement au repos, la somme des vecteurs quantités de mouvement des trois corps est nulle (pour le noyau, la quantité de mouvement est le produit de sa masse par sa vitesse v). On a représenté ici le cas où les trois quantités de mouvement sont égales en valeur absolue. On voit que l’énergie cinétique (T) et la vitesse du noyau de recul, très massif, sont négligeables. L’énergie disponible (1,16 MeV dans l’exemple de la désintégration du bismuth-210) se partage entre les deux particules restantes, dans des proportions qui varient avec la configuration des quantités de mouvement.
Lors d’une désintégration bêta, l’énergie disponible se partage entre un noyau qui recule, un électron et un antineutrino. Le noyau étant initialement au repos, la somme des vecteurs quantités de mouvement des trois corps est nulle (pour le noyau, la quantité de mouvement est le produit de sa masse par sa vitesse v). On a représenté ici le cas où les trois quantités de mouvement sont égales en valeur absolue. On voit que l’énergie cinétique (T) et la vitesse du noyau de recul, très massif, sont négligeables. L’énergie disponible (1,16 MeV dans l’exemple de la désintégration du bismuth-210) se partage entre les deux particules restantes, dans des proportions qui varient avec la configuration des quantités de mouvement.
La radioactivité bêta-moins est l’émission d’un électron et d’un antineutrino accompagnant la transformation d’un neutron en proton. La radioactivité bêta-plus, son contraire, est la transformation d’un proton en neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino. Les neutrinos ou antineutrinos sont des particules pratiquement indécelables.
L’excès de neutrons étant beaucoup plus fréquent parmi les noyaux radioactifs naturels que l’excès de protons qui est rare, la radioactivité bêta-moins est de loin la plus observée. On doit à Irène et Frédéric Joliot-Curie d’avoir découvert en 1934 la radioactivité artificielle et synthétisé les premiers radioéléments bêta-plus. On produit aujourd’hui des émetteurs bêta-plus au moyen de petits accélérateurs comme les cyclotrons, pour des applications médicales, comme le fluor-18 qui est utilisé en Tomographie à émission de positons (PET scan) pour le dépistage des cancers
Les périodes radioactives sont généralement beaucoup plus courtes que celles observées avec la radioactivité alpha, et peuvent être même parfois très courtes. Les énergies disponibles lors des désintégrations sont très variables, toujours très inférieures à celle des désintégrations alpha.
Quelques émetteurs bêta-moins existent à l’état naturel, le tritium et le carbone-14 produits dans l’atmosphère par le rayonnement cosmique ou encore le potassium-40 un isotope du potassium à vie très longue dont 4000 noyaux se désintègrent par seconde dans le corps humain. D’autres comme le bismuth-210 sont des descendants de l’uranium. Dans les réacteurs, les produits de la fission nucléaire sont aussi des émetteurs bêta, car ils héritent de l’excédent en neutrons du noyau d’uranium ou de plutonium. Les plus connus sont l’iode-131 et le césium-137.
Les rayons bêta n’ont pas tous la même énergie
L’énergie libérée lors d’une désintégration bêta se partage entre trois participants : le noyau qui recule, l’électron et l’antineutrino. Le noyau, dont la masse est très lourde par rapport aux deux autres participants, n’emporte pratiquement pas d’énergie. L’électron emporte en moyenne un peu moins de la moitié de l’énergie disponible.
Dans le cas rare d’une désintégration bêta plus, c’est le positon qui joue le rôle de l’électron, un neutrino celui de l’antineutrino, mais le scénario et le partage sont similaires.
Une distribution de l’énergie à trois corps
Dans une désintégration bêta comme celle d’un noyau de bismuth-210, le partage d’énergie se fait entre les trois produits de la désintégration. L’un des trois corps, le noyau, beaucoup plus massif que les deux autres (sa masse est 382 000 fois celle de l’électron), emporte une énergie négligeable : l’énergie cinétique se partage donc entre l’électron et l’antineutrino. Comme ce dernier échappe à la détection, on n’observe qu’un électron d’énergie variable. La figure montre la répartition en énergie caractéristique des électrons bêta – dite spectre bêta – de la désintégration du bismuth-210.
Dans une désintégration bêta comme celle d’un noyau de bismuth-210, le partage d’énergie se fait entre les trois produits de la désintégration. L’un des trois corps, le noyau, beaucoup plus massif que les deux autres (sa masse est 382 000 fois celle de l’électron), emporte une énergie négligeable : l’énergie cinétique se partage donc entre l’électron et l’antineutrino. Comme ce dernier échappe à la détection, on n’observe qu’un électron d’énergie variable. La figure montre la répartition en énergie caractéristique des électrons bêta – dite spectre bêta – de la désintégration du bismuth-210.
La répartition en énergie des électrons – appelée spectre bêta – présente une forme caractéristique. Dans le partage de l’énergie, la part emportée par le noyau émetteur est négligeable de telle sorte que dans la pratique le partage est entre l’électron bêta et l’antineutrino. L’énergie de l’électron est maximale quand il emporte toute l’énergie de la désintégration. Elle devient nulle, quand c’est l’antineutrino.
La forme du spectre bêta est très asymétrique. L’antineutrino dont la masse est quasi nulle voyage à la vitesse de la lumière. Il emporte davantage d’énergie en moyenne que l’électron qui est lourd en comparaison malgré son extrême légèreté. En conséquence peu d’électrons bêta approchent l’énergie maximale permise, alors que la majorité sont peu énergiques.
La forme du spectre est bénéfique pour la radioprotection, car la prédominance des bêta les moins énergiques les rend plus faciles à arrêter.
Énergie moyenne des bêta
Les électrons bêta n’ayant pas une énergie unique pour un émetteur donné, on compare les émetteurs entre eux par leur énergie moyenne. Ces énergies sont très variables : par exemple l’énergie des bêta du tritium est plus de cent fois plus faible que ceux du phosphore-32. Les énergies moyennes, généralement inférieures au MeV, sont très inférieures à celles des alpha (plus de 4 MeV). Les durées de vie (périodes) sont également beaucoup plus courtes, à l’exception du potassium-40.
Les électrons bêta n’ayant pas une énergie unique pour un émetteur donné, on compare les émetteurs entre eux par leur énergie moyenne. Ces énergies sont très variables : par exemple l’énergie des bêta du tritium est plus de cent fois plus faible que ceux du phosphore-32. Les énergies moyennes, généralement inférieures au MeV, sont très inférieures à celles des alpha (plus de 4 MeV). Les durées de vie (périodes) sont également beaucoup plus courtes, à l’exception du potassium-40.
En radioprotection, on s’intéressera davantage à l’énergie moyenne des électrons bêta qu’à leur énergie maximale. Cette énergie moyenne varie dans de grandes proportions, allant de 5,69 keV pour le tritium à 695 keV pour un puissant émetteur bêta comme le phosphore-32. Les énergies bêta sont toujours aussi très inférieures aussi à celles des désintégrations alpha qui sont supérieures à 4000 keV (4 MeV).
La désintégration bêta est souvent accompagnée de l’émission de rayons gamma de désexcitation. Cette émission diminue d’autant l’énergie à partager entre l’électron et l’antineutrino. Par exemple l’énergie disponible dans la désintégration bêta du césium-137 est de 1176 keV, mais dans 95 % des cas la désintégration est accompagnée d’un gamma caractéristique de 662 keV auquel cas l’énergie disponible n’est plus que de 514 keV. Le spectre bêta observé est donc la somme à raison de 5% et 95 % des spectres correspondant à ces deux modes
Du fait du phénomène de conversion interne, les gamma peuvent également transmettre leur énergie à des électrons du cortège de l’atome, qui ne sont pas à proprement parler des électrons bêta.
Publié dans Physique