rayonnement radioactif

Il existe trois types bien définis de rayonnements radioactifs, alpha (α), bêta (β), gamma (γ) ; ils ont des propriétés particulières mais aussi des propriétés communes.

Le rayonnement alpha

• La charge et la masse des particules alpha sont indépendantes de l’élément radioactif considéré ; une particule alpha a une charge de 3 ∙ 10^–19 C et une masse de 6,2 ∙ 10^–27 kg.

La particule alpha, chargée positivement, n’est autre que le noyau d’hélium  : protons et 2 neutrons.

• L’énergie des particules alpha, pour les radioéléments ordinairement utilisés, est comprise entre 2 et 10 MeV.

Le nombre d’émissions de particules alpha par seconde est très élevé. C’est ainsi que :
— 1 g d’uranium 235 émet par seconde 64 000 particules alpha ;
— 1 g de plutonium 239 émet par seconde 2,3 milliards de particules alpha.

• La chambre de Wilson montre que les trajectoires des particules alpha sont rectilignes et courtes. Le parcours d’une particule alpha dépend d’un certain nombre de facteurs, les plus importants étant l’énergie des particules (ou leur vitesse) et la nature de la substance traversée.

Il existe des formules expérimentales donnant le parcours P dans l’air en fonction de l’énergie E ; en voici une, valable dans l’intervalle 3-8 MeV :
P (en cm) = 0,318 E^3/2 (en MeV).

Dans l’air, les parcours sont compris dans la gamme 2-10 cm :
uranium : 2,6 ;
radium : 3,4 ;
polonium : 3,9.

On peut retenir qu’approximativement les particules alpha perdent une énergie de 2 MeV par centimètre de parcours dans l’air.

Il existe des formules permettant, quand on connaît le parcours dans l’air, de déterminer le parcours dans une substance de nombre atomique Z. Lorsque toutes les particules alpha ont la même énergie, on obtient sur une plaque photographique une seule raie. Or, on observe, pour certaines substances, en plus de la raie normale, quelques raies voisines de celle-ci : on dit alors que le rayonnement considéré possède une structure fine. L’énergie E est reliée à la vitesse v par la relation On déduit donc que le parcours est proportionnel au cube de la vitesse. La formule précédente devient :
P (cm) = 9,67 ∙ 10^–28 v³ (cm/s).
Ainsi, pour des vitesses de 13 000 km/s, on a un parcours de l’ordre de 3 cm, et, pour 20 000 km/s, les trajectoires sont sensiblement trois fois plus grandes.

Les particules alpha sont peu pénétrantes.

On caractérise quelquefois l’effet d’un milieu par son « équivalent en air », ou épaisseur d’air, qui produit le même ralentissement.

Le rayonnement bêta

• La charge et la masse au repos des particules bêta sont les mêmes que celles de l’électron :
charge e = 1,6 · 10^–19 C ;
masse = 9,1 · 10^–31 kg.

Les particules bêta, chargées négativement, ne sont autres que des négatons.

• Les trajectoires des particules bêta peuvent être examinées dans les chambres de Wilson. Il existe une différence fondamentale entre les particules alpha et bêta. On n’obtient pas, lors d’une émission bêta, des particules ayant approximativement toutes la même énergie, comme pour les particules alpha, mais une gamme d’énergie, ce qu’on exprime en disant que l’on a un spectre d’énergie. Par exemple, pour un ensemble de noyaux de radium C′ — qui est un polonium —, les énergies des particules bêta sont comprises entre 0 et 3 MeV. On explique ce fait, pour respecter le principe de la conservation de l’énergie, en admettant que, lors d’une émission bêta, il y a également émission d’une autre particule : le neutrino. D’une façon générale, l’énergie des particules bêta, pour les radioéléments couramment utilisés, est de l’ordre de 5 MeV.

• Les électrons sont 8 000 fois moins lourds que les alpha. Par conséquent, leurs trajectoires sont irrégulières par suite des nombreux chocs qui se produisent contre les noyaux. On appelle portée la distance comptée en ligne droite entre le point initial et le point terminal de la trajectoire.

On vérifie, approximativement, que la portée du parcours.

Il existe des formules reliant le parcours, exprimé en masse superficielle, et l’énergie E. En voici une :
P (en g/cm²) = ρ · P (cm) = 0,530 E – 0,106.
L’énergie qui figure dans cette formule est l’énergie dite maximale des particules bêta (2,5 < E < 20 MeV).

Le parcours dans l’air d’un électron de 80 keV est de 8 cm ; c’est à peu près le même que celui d’un alpha de 8 MeV, donc 100 fois plus énergique.

Les particules bêta sont beaucoup plus pénétrantes que les alpha. Cela tient à leur grande vitesse, qui peut atteindre 250 000 m/s, c’est-à-dire presque la vitesse de la lumière.

Il faut plusieurs mètres d’air pour arrêter les bêta ; ceux-ci atteignent 10 m dans l’air pour des énergies de 3 MeV. Les bêta émis par les produits de fission des explosions nucléaires ont des énergies qui ne dépassent pas en général 2 MeV, et leur parcours est inférieur à 8 m dans l’air, de quelques centimètres dans l’eau, et de 0,1 cm dans le plomb.

Le rayonnement gamma

• Les particules constituant le rayonnement gamma sont des photons qui n’ont ni charge ni masse. Les rayons gamma, non déviés par les champs électrique et magnétique, présentent tous les caractères des rayonnements électromagnétiques. Ils peuvent être définis comme étant des rayons X particulièrement durs ; ils ont une très faible longueur d’onde, donc une grande énergie. Les longueurs d’onde sont comprises entre 5 ∙ 10^–3  et 5 ∙ 10^–1 angström.