☢️ Les désintégrations α, β⁻, β⁺ et γ
Un noyau trop lourd, trop riche en neutrons ou en protons, ou simplement trop excité finit toujours par se débarrasser de son surplus… mais pas n'importe comment ! Choisis un vrai noyau (uranium 238, carbone 14, fluor 18 de la TEP…), regarde-le éjecter sa particule, écris l'équation, suis son déplacement sur la carte des noyaux et teste ce qui arrête chaque rayonnement.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- α : le noyau éjecte un noyau d'hélium 4 (2 protons et 2 neutrons). Sur le diagramme (Z, N), il recule de 2 cases en Z et de 2 en N. C'est la désintégration des noyaux lourds.
- β− : un neutron du noyau se transforme en proton en émettant un électron et un antineutrino. Z augmente de 1 et N diminue de 1 : c'est le sort des noyaux trop riches en neutrons.
- β+ : un proton se transforme en neutron en émettant un positon et un neutrino. Z diminue de 1 et N augmente de 1. Le positon rencontre vite un électron : ils s'annihilent en deux photons de 511 keV, ceux que détecte la TEP.
- γ : un noyau excité (noté *) retrouve son état de plus basse énergie en émettant un photon très énergétique ; ni A ni Z ne changent. Après la β− du cobalt 60, le nickel 60 émet ainsi deux photons γ.
- Les particules α sont arrêtées par une feuille de papier, les électrons et les positons par quelques millimètres d'aluminium ; les photons γ ne sont qu'atténués par le plomb, d'autant moins qu'ils sont énergétiques. Et les neutrinos traversent tout !
Expériences à faire
- Avant de regarder, écris sur une feuille l'équation de désintégration de l'américium 241, puis vérifie.
- Pourquoi le carbone 14 et l'iode 131 sont-ils radioactifs β− alors que le fluor 18 est radioactif β+ ? Regarde leur place par rapport aux noyaux stables.
- Avec 1 cm de plomb, compare la transmission des γ du technétium 99m (140 keV) et du cobalt 60 (1,17 et 1,33 MeV). Pourquoi un tablier de plomb protège-t-il bien en scintigraphie ?
- Enlève la feuille de papier puis l'aluminium : que deviennent les α de l'uranium 238 ? Et les positons du fluor 18 ?
- Dans la famille de l'uranium 238, quel noyau a la demi-vie la plus courte ? Pourquoi le radon 222 est-il dangereux à respirer ?
- Choisis « ✏️ Mon noyau » et invente ta désintégration : radium 226 en α, carbone 12 en β⁻… L'animation applique les lois de Soddy et te prévient si, dans la réalité, ce noyau est stable ou se désintègre autrement.
La physique derrière l'animation
- Lois de conservation de Soddy : le nombre de masse A et le nombre de charge Z se conservent. α : AZX → A−4Z−2Y + 42He. β− : AZX → AZ+1Y + 0−1e + ν̄. β+ : AZX → AZ−1Y + 01e + ν. γ : AZY* → AZY + γ. Au lycée, on n'écrit souvent ni le neutrino ni l'antineutrino.
- Énergie libérée (BAC+1), avec les masses des atomes : Qα = [M(père) − M(fils) − M(4He)] × c², Qβ− = [M(père) − M(fils)] × c², Qβ+ = [M(père) − M(fils) − 2 me] × c². Pour l'uranium 238 : Q = 4,27 MeV, dont 4,20 MeV pour la particule α (le noyau fils recule un peu).
- En β, l'énergie se partage au hasard entre l'électron (ou le positon) et le neutrino : les électrons β ont un spectre continu d'énergies. C'est ce qui a poussé Pauli à imaginer le neutrino, en 1930.
- Atténuation des γ : la fraction qui traverse une épaisseur x vaut e−μx. La couche de demi-atténuation x1/2 = ln 2 / μ vaut environ 0,55 cm de plomb pour les γ de 662 keV (césium 137) et 1 cm pour ceux du cobalt 60 (coefficients μ du NIST, base XCOM). Sur le dessin, les distances ne sont pas respectées : le compteur est supposé à 2 cm de la source.
- Données : demi-vies et modes de désintégration de NUBASE2020 (F. G. Kondev et al., Chinese Physics C 45, 030001, 2021), masses atomiques de l'AME2020. La famille de l'uranium 238 compte 8 désintégrations α et 6 β− jusqu'au plomb 206. Pour la loi de décroissance (demi-vie, N = N0 × e−λt), voir la décroissance radioactive ; pour toute la carte des noyaux, la vallée de stabilité.
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