Radioactivité

La radioactivité, terme inventé vers 1898 par Pierre Curie, est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers. On parle également de radiation.

La radioactivité a été observée par de grands scientifiques à la fin du XIXe siècle : Henri Becquerel, Marie Curie et Pierre Curie.

Qu'est-ce qu'un atome instable ?
Un atome est composé d'un noyau et de plusieurs électrons qui tournent autour de celui-ci. Ce noyau est constitué de ce que l'on appelle des nucléons : les protons et les neutrons.

Pour que ce noyau soit stable, il ne peut pas avoir un nombre quelconque de neutrons et de protons. Si le nombre de protons et de neutrons tend à être le même pour les noyaux stables les plus légers, cela est de moins en moins vrai quand on augmente la masse des noyaux. En effet plus le noyau est lourd, plus il a une charge électrique importante. Etant donné que ces charges électriques sont toutes de même signe (le proton a une charge positive), la répulsion entre protons est de plus en plus grande. La stabilité d'un noyau résulte toujours d'un équilibre entre les forces d'attraction et de répulsion. Si la répulsion électrique augmente quand on va vers les masses de noyau élevées, il faut nécessairement que les forces d'attraction augmentent. Cette attraction est due à la force nucléaire forte. Ainsi la force nucléaire entre deux protons, deux neutrons, ou un proton et un neutron, est sensiblement la même. La différence entre ces deux types de particules tient donc à leur charge électrique. Les protons interagissent de "façon nucléaire", mais aussi de "façon électrique". Les neutrons eux n'interagissent que de façon nucléaire. Si la force électrique entre protons est toujours répulsive, la force nucléaire est toujours attractive aux distances caractéristiques mises en jeu dans le noyau de l'atome. Ainsi, plus les noyaux sont lourds, plus ils présentent un excès de neutrons par rapport aux protons. Les neutrons ont l'avantage d'apporter de l'attraction sans répulsion. Plus on rajoutera de la charge électrique et plus il faudra de neutrons en excès. Si pour le noyau d'oxygène le plus abondant (isotope 16 de l'oxygène) le nombre de protons égale le nombre de neutrons (8 protons et 8 neutrons, soit 16 nucléons) ceci n'est plus vrai pour le plus abondant des noyaux de l'atome de plomb, l'isotope 208 du plomb (82 protons et 126 neutrons, soit 208 nucléons).

Plus la masse du noyau est élevée, plus il est dur pour lui d'avoir une configuration stable. Ainsi l'élément le plus lourd connu étant stable est le bismuth 209 (83 protons et 126 neutrons). Au delà de cette masse tous les éléments connus sont instables. Les plus abondants dans la nature sont le thorium 232 (90 protons et 142 neutrons) et l'uranium 238 (92 protons et 146 neutrons). Bien qu'instables, ils sont présents sur notre planète car leur durée de vie est élevée (14 milliards d'années pour le thorium et 4,5 milliards d'années pour l'uranium).

La charge électrique du noyau est donc une cause d'instabilité. Pour les noyaux lourds un moyen de retrouver de la stabilité est donc de se débarrasser d'une partie de cette charge électrique. Dans la pratique, ces noyaux émettent deux protons et deux neutrons groupés, qui forment un noyau d'atome d'hélium. C'est la radioactivité alpha.

Il existe une autre force au sein du noyau, la force nucléaire faible. Cette force a la particularité de changer un proton en neutron, ou vice versa. Certains noyaux instables "profitent" de cette possiblité pour se transformer en une configuation plus stable. C'est le cas du noyau de carbone 14 (6 protons et 8 neutrons) qui se transfome en azote 14 (7 protons et 7 neutrons). Dans la pratique, cette transformation s'accompagne de l'émission de deux particules (soit un électron et un antineutrino, soit un positron et un neutrino). Cette radioactivité est dénommée béta.

Bien souvent, le noyau formé par radioactivité (on parle aussi de décroissance) alpha ou béta a un petit excès d'énergie qu'il lui faut évacuer. Un des moyens dont il dispose est d'émettre un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est de même nature que les ondes radio, ou encore les microondes de nos fours. Il met cependant en jeu des énergies bien plus grandes et est dénommé rayonnement gamma. C'est le phénomène de radioactivité gamma.

L'énergie nucléaire
L'énergie mise en oeuvre dans une centrale nucléaire ou une bombe atomique, est de même nature que celle qui est libérée dans la radioactivité alpha. Elle ne peut être libérée que pour les gros noyaux (en pratique l'uranium 235 et le plutonium 239). Ces gros noyaux plutôt que d'émettre une particule alpha (le noyau d'hélium), peuvent se casser en deux morceaux de masses presque égales. C'est le phénomène de fission nucléaire. Dans la nature, ce phénomène est anecdotique, et dans une centrale, il est artificiellement favorisé par rapport à la radioactivité alpha grâce aux neutrons. Les neutrons provoquent facilement la fission des noyaux d'uranium 235. Comme cette fission s'accompagne de l'émission de trois neutrons, la plupart du temps, on peut s'arranger pour entretenir les réactions de fission. Ainsi contrôler la quantité de neutrons permet de contrôler le nombre de fissions dans le réacteur et donc l'énergie dégagée. L'énergie dégagée lors d'une fission est beaucoup plus importante que lors des décroissances alpha, béta et gamma. Elle est incroyablement plus élevée que celle dégagée dans une réaction chimique (réaction entre atomes). Elle vient en grande partie de la répulsion électrique entre les deux noyaux qui résultent de la fission.