Nick Connor

La série du thorium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par le thorium-232 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série du thorium, le noyau stable est le plomb-208.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du thorium est connue sous le nom de série 4n.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée du thorium-232 au plomb-208, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 42,6 MeV.

Activité des échantillons naturels – Série Thorium

La cascade de thorium influence de manière significative la radioactivité ( désintégrations par seconde) des échantillons naturels et des matériaux naturels. Tous les descendants sont présents, au moins de manière transitoire, dans tout échantillon naturel contenant du thorium, qu’il soit métallique, composé ou minéral. Par exemple, le thorium-232 purest faiblement radioactif (proportionnel à sa longue demi-vie), mais un minerai de thorium est environ 10 fois plus radioactif que le métal thorium-232 pur en raison de ses isotopes descendants (par exemple radon, radium, etc.) qu’il contient. Non seulement les isotopes instables du radium sont d’importants émetteurs de radioactivité, mais en tant qu’étape suivante de la chaîne de désintégration, ils génèrent également du radon, un gaz radioactif lourd, inerte et naturel. De plus, la chaleur de désintégration du thorium et de ses produits de désintégration (par exemple le radon, le radium, etc.) contribue au réchauffement du noyau terrestre. Avec l’uranium et le potassium 40 dans le manteau terrestre, on pense que ces éléments sont la principale source de chaleur qui maintient le noyau de la Terre liquide.

Types de décomposition dans la série Thorium

Au sein de chaque série radioactive, il existe deux principaux modes de désintégration radioactive:

• Désintégration alpha. La désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Du fait de sa très grande masse (plus de 7000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, elle ionise la matière lourde et a une portée très courte .
• Désintégration bêta. La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission de la particule bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positrons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.

Voir également:

Série radioactive

Les séries radioactives (également appelées cascades radioactives) sont trois chaînes de désintégration radioactives naturelles et une chaîne de désintégration radioactive artificielle de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. La plupart des radio-isotopes ne se désintègrent pas directement dans un état stable et tous les isotopes de la série se désintègrent de la même manière. En physique des désintégrations nucléaires, le noyau en désintégration est généralement appelé noyau parent et le noyau restant après l’événement en tant que noyau fille. Comme la désintégration alpha représente la désintégration d’unnoyau parent à un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du thorium est connue sous le nom de série 4n, la série du neptunium sous le nom de série 4n + 1, la série de l’uranium sous le nom de série 4n + 2 et la série de l’actinium sous le nom de série 4n + 3.

Trois des ensembles sont appelés séries naturelles ou classiques. Le quatrième ensemble, la série du neptunium, est dirigé par le neptunium-237. Ses membres sont produits artificiellement par des réactions nucléaires et ne se produisent pas naturellement.

• la série du thorium (série 4n),
• la série de l’uranium (série 4n+2),
• la série de l’actinium (série 4n+3),
• la série du neptunium (série 4n+1).

Les séries classiques sont dirigées par des noyaux primordiaux instables. Les nucléides primordiaux sont des nucléides trouvés sur la Terre qui existent sous leur forme actuelle depuis avant la formation de la Terre. Les quatre séries précédentes sont constituées des radio-isotopes, qui sont les descendants de quatre noyaux lourds à demi-vies longues et très longues:

• la série du thorium avec le thorium-232 (avec une demi-vie de 14,0 milliards d’années),
• la série de l’uranium avec l’uranium-238 (qui vit 4,47 milliards d’années),
• la série de l’actinium avec l’uranium 235 (avec une demi-vie de 0,7 milliard d’années).
• la série du neptunium avec le neptunium-237 (demi-vie de 2 millions d’années).

Les demi-vies de tous les noyaux filles sont toutes extrêmement variables et il est difficile de représenter une gamme d’échelles de temps allant de la seconde à des milliards d’années. Étant donné que les radio-isotopes filles ont des demi-vies différentes, l’équilibre séculaire est atteint après un certain temps. Dans la longue chaîne de désintégration d’un élément naturellement radioactif, tel que l’uranium-238, où tous les éléments de la chaîne sont en équilibre séculaire, chacun des descendants s’est accumulé jusqu’à une quantité d’équilibre et tous se désintègrent au rythme fixé par le parent d’origine. Si et quand l’équilibre est atteint, chaque isotope fils successif est présent en proportion directe de sa demi-vie. Depuis son activité est inversement proportionnel à sa demi-vie, chaque nucléide de la chaîne de désintégration contribue finalement à autant de transformations individuelles que la tête de la chaîne.

Comme on peut le voir sur les figures, la ramification se produit dans les quatre séries radioactives. Cela signifie que la décomposition d’une espèce donnée peut se produire de plusieurs façons. Par exemple, dans la série du thorium, le bismuth-212 se désintègre partiellement par émission bêta négative en polonium-212 et partiellement par émission alpha en thallium-206.

La cascade radioactive influence significativement la radioactivité (désintégrations par seconde) d’échantillons naturels et de matériaux naturels. Tous les descendants sont présents, au moins transitoirement, dans tout échantillon naturel, qu’il soit métallique, composé ou minéral. Par exemple, l’uranium 238 pur est faiblement radioactif (proportionnellement à sa longue demi-vie), mais un minerai d’uranium est environ 13 fois plus radioactif que l’uranium 238 pur en raison de ses isotopes descendants (par exemple radon, radium, etc.) il contient. Non seulement les isotopes instables du radium sont d’importants émetteurs de radioactivité, mais en tant qu’étape suivante de la chaîne de désintégration, ils génèrent également du radon, un gaz radioactif lourd, inerte et naturel. De plus, la chaleur de désintégration de l’uranium et de ses produits de désintégration (par exemple le radon, le radium, etc.) contribue au réchauffement du noyau terrestre.

Voir aussi: Équilibre radioactif

Types de décomposition

Au sein de chaque série radioactive, il existe deux principaux modes de désintégration radioactive:

• Désintégration alpha. La désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Du fait de sa très grande masse (plus de 7000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, elle ionise la matière lourde et a une portée très courte.
• Désintégration bêta. La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission de la particule bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positrons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.

Série Thorium

La série du thorium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par le thorium-232 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série du thorium, le noyau stable est le plomb-208.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du thorium est connue sous le nom de série 4n.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée du thorium-232 au plomb-208, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 42,6 MeV.

Série Neptunium

La série du neptunium est une série radioactive commençant par le neptunium-237. Ses membres sont produits artificiellement par des réactions nucléaires et ne se produisent pas naturellement, car la demi-vie de l’isotope ayant la plus longue durée de vie de la série est courte par rapport à l’âge de la Terre. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série neptunium, le noyau stable est le bismuth-209 (avec une demi-vie de 1,9E19 ans) et le thallium-205.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du neptunium est connue sous le nom de série 4n+1.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée du neptunium-237 vers le thallium-205, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 50,0 MeV.

Dans certains types de détecteurs de fumée, vous pouvez rencontrer des radionucléides de cette série. Les détecteurs de fumée à ionisation utilisent généralement un radio-isotope, généralement l’américium-241, pour ioniser l’air et détecter la fumée. Dans ce cas, l’américium-241 se désintègre en neptunium-237 et est, en fait, un membre de la série neptunium.

Série d’uranium

La série de l’uranium, également connue sous le nom de série du radium, est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-238 d’origine naturelle . Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série de l’uranium, le noyau stable est le plomb-206.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série de l’uranium est connue sous le nom de série 4n+2.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée de l’uranium-238 au plomb-206, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 51,7 MeV.

Série Uranium et Uranium-234

L’isotope de l’uranium 234 fait partie de cette série. Cet isotope a une demi-vie de seulement 2,46×10 ⁵ ans et n’appartient donc pas aux nucléides primordiaux (contrairement à ²³⁵U et ²³⁸U ). D’autre part, cet isotope est toujours présent dans la croûte terrestre, mais cela est dû au fait que ²³⁴U est un produit de désintégration indirecte de ²³⁸U. ²³⁸U se désintègre par désintégration alpha en ²³⁴U. ²³⁴U se désintègre par désintégration alpha en 230Th, à l’exception d’une très petite fraction (de l’ordre du ppm) de noyaux qui se désintègre par fission spontanée.

Dans un échantillon naturel d’uranium, ces noyaux sont présents dans les proportions inaltérables de l’ équilibre radioactif de la filiation ²³⁸U à raison d’un atome de ²³⁴U pour environ 18 500 noyaux de ²³⁸U. Du fait de cet équilibre ces deux les isotopes ( ²³⁸U et ²³⁴U) contribuent à parts égales à la radioactivité de l’uranium naturel.

Série Actinium

La série de l’actinium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-235 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série actinium, le noyau stable est le plomb-207.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série de l’actinium est connue sous le nom de série 4n+3.

L’énergie totale libérée de l’uranium 235 au plomb 207, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 46,4 MeV.

Voir également:

Désintégration radioactive

En physique, une chaîne de désintégration radioactive est une séquence de noyaux atomiques instables et de leurs modes de désintégration, qui conduit à un noyau stable. Les sources de ces noyaux instables sont différentes, mais la plupart des ingénieurs traitent des chaînes de désintégration radioactives naturelles appelées séries radioactives. A noter que, dans les réacteurs nucléaires, il existe de nombreux types de chaînes de désintégration des fragments de fission. Les fragments de fission sont très instables (radioactifs) et subissent d’autres désintégrations radioactives pour se stabiliser. Ces chaînes de désintégration «artificielles» n’appartiennent pas à la série radioactive naturelle.

Série Radioactive – Cascade Radioactive

Les séries radioactives (également appelées cascades radioactives) sont trois chaînes de désintégration radioactives naturelles et une chaîne de désintégration radioactive artificielle de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. La plupart des radio-isotopes ne se désintègrent pas directement dans un état stable et tous les isotopes de la série se désintègrent de la même manière. En physique des désintégrations nucléaires, le noyau en désintégration est généralement appelé noyau parent et le noyau restant après l’événement en tant que noyau fille. Comme la désintégration alpha représente la désintégration d’unnoyau parent à un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du thorium est connue sous le nom de série 4n, la série du neptunium sous le nom de série 4n + 1, la série de l’uranium sous le nom de série 4n + 2 et la série de l’actinium sous le nom de série 4n + 3.

Trois des ensembles sont appelés séries naturelles ou classiques. Le quatrième ensemble, la série du neptunium, est dirigé par le neptunium-237. Ses membres sont produits artificiellement par des réactions nucléaires et ne se produisent pas naturellement.

• la série du thorium (série 4n),
• la série de l’uranium (série 4n+2),
• la série de l’actinium (série 4n+3),
• la série du neptunium (série 4n+1).

Les séries classiques sont dirigées par des noyaux primordiaux instables. Les nucléides primordiaux sont des nucléides trouvés sur la Terre qui existent sous leur forme actuelle depuis avant la formation de la Terre. Les quatre séries précédentes sont constituées des radio-isotopes, qui sont les descendants de quatre noyaux lourds à demi-vies longues et très longues:

• la série du thorium avec le thorium-232 (avec une demi-vie de 14,0 milliards d’années),
• la série de l’uranium avec l’uranium-238 (qui vit 4,47 milliards d’années),
• la série de l’actinium avec l’uranium 235 (avec une demi-vie de 0,7 milliard d’années).
• la série du neptunium avec le neptunium-237 (demi-vie de 2 millions d’années).

Les demi-vies de tous les noyaux filles sont toutes extrêmement variables et il est difficile de représenter une gamme d’échelles de temps allant de la seconde à des milliards d’années. Étant donné que les radio-isotopes filles ont des demi-vies différentes, l’équilibre séculaire est atteint après un certain temps. Dans la longue chaîne de désintégration d’un élément naturellement radioactif, tel que l’uranium-238, où tous les éléments de la chaîne sont en équilibre séculaire, chacun des descendants s’est accumulé jusqu’à une quantité d’équilibre et tous se désintègrent au rythme fixé par le parent d’origine. Si et quand l’équilibre est atteint, chaque isotope fils successif est présent en proportion directe de sa demi-vie. Depuis son activité est inversement proportionnel à sa demi-vie, chaque nucléide de la chaîne de désintégration contribue finalement à autant de transformations individuelles que la tête de la chaîne.

Comme on peut le voir sur les figures, la ramification se produit dans les quatre séries radioactives. Cela signifie que la décomposition d’une espèce donnée peut se produire de plusieurs façons. Par exemple, dans la série du thorium, le bismuth-212 se désintègre partiellement par émission bêta négative en polonium-212 et partiellement par émission alpha en thallium-206.

La cascade radioactive influence significativement la radioactivité (désintégrations par seconde) d’échantillons naturels et de matériaux naturels. Tous les descendants sont présents, au moins transitoirement, dans tout échantillon naturel, qu’il soit métallique, composé ou minéral. Par exemple, l’uranium 238 pur est faiblement radioactif (proportionnellement à sa longue demi-vie), mais un minerai d’uranium est environ 13 fois plus radioactif que l’uranium 238 pur en raison de ses isotopes descendants (par exemple radon, radium, etc.) il contient. Non seulement les isotopes instables du radium sont d’importants émetteurs de radioactivité, mais en tant qu’étape suivante de la chaîne de désintégration, ils génèrent également du radon, un gaz radioactif lourd, inerte et naturel. De plus, la chaleur de désintégration de l’uranium et de ses produits de désintégration (par exemple le radon, le radium, etc.) contribue au réchauffement du noyau terrestre.

Types de décomposition

Au sein de chaque série radioactive, il existe deux principaux modes de désintégration radioactive:

• Désintégration alpha. La désintégration alpha  représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Du fait de sa très grande masse (plus de 7000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, elle ionise la matière lourde et a une portée très courte.
• Désintégration bêta. La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission de la particule bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positrons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.

Série Thorium

La série du thorium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par le thorium-232 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série du thorium, le noyau stable est le plomb-208.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du thorium est connue sous le nom de série 4n.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée du thorium-232 au plomb-208, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 42,6 MeV.

Série Neptunium

La série du neptunium est une série radioactive commençant par le neptunium-237. Ses membres sont produits artificiellement par des réactions nucléaires et ne se produisent pas naturellement, car la demi-vie de l’isotope ayant la plus longue durée de vie de la série est courte par rapport à l’âge de la Terre. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série neptunium, le noyau stable est le bismuth-209 (avec une demi-vie de 1,9E19 ans) et le thallium-205.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série du neptunium est connue sous le nom de série 4n+1.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée du neptunium-237 vers le thallium-205, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 50,0 MeV.

Dans certains types de détecteurs de fumée, vous pouvez rencontrer des radionucléides de cette série. Les détecteurs de fumée à ionisation utilisent généralement un radio-isotope, généralement l’américium-241, pour ioniser l’air et détecter la fumée. Dans ce cas, l’américium-241 se désintègre en neptunium-237 et est, en fait, un membre de la série neptunium.

Série d’uranium

La série de l’uranium, également connue sous le nom de série du radium, est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-238 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série de l’uranium, le noyau stable est le plomb-206.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série de l’uranium est connue sous le nom de série 4n+2.

L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée de l’uranium-238 au plomb-206, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 51,7 MeV.

Série Uranium et Uranium-234

L’isotope de l’uranium 234 fait partie de cette série. Cet isotope a une demi-vie de seulement 2,46×10 ⁵ ans et n’appartient donc pas aux nucléides primordiaux (contrairement à ²³⁵U et ²³⁸U). D’autre part, cet isotope est toujours présent dans la croûte terrestre, mais cela est dû au fait que ²³⁴ U est un produit de désintégration indirecte de ²³⁸ U. ²³⁸U se désintègre par désintégration alpha en ²³⁴ U. ²³⁴U se désintègre par désintégration alpha en 230Th, à l’exception d’une très petite fraction (de l’ordre du ppm) de noyaux qui se désintègre par fission spontanée.

Dans un échantillon naturel d’uranium, ces noyaux sont présents dans les proportions inaltérables de l’ équilibre radioactif de la filiation ²³⁸U à raison d’un atome de ²³⁴U pour environ 18 500 noyaux de ²³⁸U. Du fait de cet équilibre ces deux les isotopes ( ²³⁸U et ²³⁴U) contribuent à parts égales à la radioactivité de l’uranium naturel.

Série Actinium

La série de l’actinium est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-235 d’origine naturelle . Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série actinium, le noyau stable est le plomb-207.

Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série de l’actinium est connue sous le nom de série 4n+3.

L’énergie totale libérée de l’uranium 235 au plomb 207, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 46,4 MeV.

Voir également:

Désintégration radioactive

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma. La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement en vigueur, les rayons X sont émis par des électrons extérieurs au noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau.

Blindage des rayons X

Voir aussi: Blindage des rayonnements ionisants

Atténuation des rayons X

Lorsque les photons de haute énergie traversent le matériau, leur énergie diminue. C’est ce qu’on appelle l’ atténuation. La théorie de l’atténuation est également valable pour les rayons X et les rayons gamma. Il s’avère que les photons à haute énergie (rayons X durs) traversent les tissus plus facilement que les photons à basse énergie (c’est-à-dire que les photons à haute énergie sont moins susceptibles d’interagir avec la matière). Une grande partie de cet effet est liée à l’ effet photoélectrique. La probabilité d’absorption photoélectrique est approximativement proportionnelle à (Z/E) ³, où Z est le numéro atomique de l’atome du tissu et E est l’énergie du photon. À mesure que E augmente, la probabilité d’interaction diminue rapidement. Pour des énergies plus élevées, la diffusion Compton devient dominante. La diffusion Compton est à peu près constante pour différentes énergies bien qu’elle diminue lentement à des énergies plus élevées.

Comme on peut le voir, un blindage efficace contre les rayons X repose dans la plupart des cas sur l’utilisation de matériaux ayant les deux propriétés matérielles suivantes:

• haute densité de matériau.
• numéro atomique élevé du matériau (matériaux à Z élevé)

Cependant, les matériaux à faible densité et les matériaux à faible Z peuvent être compensés par une épaisseur accrue, ce qui est aussi important que la densité et le numéro atomique dans les applications de blindage.

Une sonde est largement utilisée comme écran anti -rayons. Le principal avantage du blindage en plomb réside dans sa compacité en raison de sa densité plus élevée. Un plomb est largement utilisé comme écran gamma. D’autre part,  l’uranium appauvri  est beaucoup plus efficace en raison de son Z plus élevé. L’uranium appauvri est utilisé pour le blindage des sources portables de rayons gamma.

Dans les centrales nucléaires, le blindage d’un cœur de réacteur peut être assuré par les matériaux de la cuve sous pression du réacteur, les internes du réacteur (réflecteur de neutrons). De plus, le béton lourd est généralement utilisé pour protéger à la fois les neutrons et les rayonnements gamma.

En général, la protection contre les rayons X est plus complexe et difficile que la  protection contre les rayonnements alpha ou bêta. Afin de comprendre de manière exhaustive comment un rayon X perd son énergie initiale, comment peut-il être atténué et comment peut-il être protégé, nous devons avoir une connaissance détaillée de ses mécanismes d’interaction.

Voir aussi plus de théorie: Interaction des rayons X avec la matière

Voir aussi calculateur: activité gamma par rapport au débit de dose (avec/sans écran)

Voir aussi XCOM – Base de données de sections efficaces de photons:  XCOM: Base de données de sections efficaces de photons

Couche de demi-valeur – rayons X

La couche de demi-atténuation exprime l’épaisseur de matériau absorbant nécessaire pour réduire d’un facteur deux l’intensité du rayonnement incident. Il existe deux caractéristiques principales de la couche de demi-valeur:

• La couche de demi-valeur diminue à mesure que le numéro atomique de l’absorbeur augmente. Par exemple, 35 m d’air sont nécessaires pour réduire d’un facteur 2 l’intensité d’un faisceau de rayons X de 100 keV alors que seulement 0,12 mm de plomb peut faire la même chose.
• La couche de demi-valeur pour tous les matériaux augmente avec l’énergie des rayons X. Par exemple de 0,26 cm pour le fer à 100 keV à environ 0,64 cm à 200 keV.

Exemple:

De combien de blindage d’eau avez-vous besoin si vous souhaitez réduire l’intensité d’un faisceau de rayons X monoénergétique de 100 keV ( faisceau étroit) à 1 % de son intensité incidente? La couche de demi-valeur pour les rayons X de 100 keV dans l’eau est de 4,15 cm et le coefficient d’atténuation linéaire pour les rayons X de 100 keV dans l’eau est de 0,167 cm^-1. Le problème est assez simple et peut être décrit par l’équation suivante:

Si la couche de demi-valeur pour l’eau est de 4,15 cm, le coefficient d’atténuation linéaire est:Maintenant, nous pouvons utiliser l’équation d’atténuation exponentielle:

L’épaisseur d’eau requise est donc d’environ 27,58 cm. Il s’agit d’une épaisseur relativement importante et elle est causée par de petits nombres atomiques d’hydrogène et d’oxygène. Si on calcule le même problème pour le plomb (Pb), on obtient l’épaisseur x=0.077 cm.

Tableau des couches de demi-valeur

Tableau des couches de demi-valeur (en cm) pour différents matériaux à des énergies de photons de 100, 200 et 500 keV.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3 x 10¹⁶ Hz à 3 x 10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma. La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement en vigueur, les rayons X sont émis par des électrons extérieurs au noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau.

Coefficient d’atténuation linéaire – Rayons X

L’atténuation des rayons X peut alors être décrite par l’équation suivante.

I=I ₀ .e ^-μx

, où I est l’intensité après atténuation, I_o est l’intensité incidente, μ est le coefficient d’atténuation linéaire (cm^-1) et l’épaisseur physique de l’absorbeur (cm).

Les matériaux répertoriés dans le tableau sont l’air, l’eau et différents éléments allant du carbone ( Z =6) au plomb ( Z =82) et leurs coefficients d’atténuation linéaire sont donnés pour deux énergies de rayons X. Il existe deux caractéristiques principales du coefficient d’atténuation linéaire:

• Le coefficient d’atténuation linéaire augmente à mesure que le numéro atomique de l’absorbeur augmente.
• Le coefficient d’atténuation linéaire pour tous les matériaux diminue avec l’énergie des rayons X.

Coefficient d’atténuation de masse

Lors de la caractérisation d’un matériau absorbant, on peut parfois utiliser le coefficient d’atténuation massique.  Le coefficient d’atténuation massique est défini comme le rapport du coefficient d’atténuation linéaire et de la densité d’absorbeur (μ/ρ). L’ atténuation des rayons X peut alors être décrite par l’équation suivante:

je = je ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

, où ρ est la densité du matériau, (μ/ρ) est le coefficient d’atténuation de la masse et ρ.l est l’épaisseur de la masse. L’unité de mesure utilisée pour le coefficient d’atténuation massique cm² g^-1. Pour les énergies intermédiaires, la diffusion Compton domine et différents absorbeurs ont des coefficients d’atténuation de masse approximativement égaux . Cela est dû au fait que la section efficace de la diffusion Compton est proportionnelle au Z (numéro atomique) et donc le coefficient est proportionnel à la densité de matériau ρ. Aux faibles valeurs d’énergie des rayons X, où le coefficient est proportionnel aux puissances supérieures du numéro atomique Z (pour l’effet photoélectrique σ _f ~ Z³), le coefficient d’atténuation μ n’est pas une constante.

Voir aussi calculateur: activité gamma par rapport au débit de dose (avec/sans écran)

Voir aussi XCOM – Base de données de sections efficaces de photons:  XCOM: Base de données de sections efficaces de photons

Exemple:

De combien de blindage d’eau avez-vous besoin si vous souhaitez réduire l’intensité d’un faisceau de rayons X monoénergétique de 100 keV ( faisceau étroit) à 1 % de son intensité incidente ? La couche de demi-valeur pour les rayons X de 100 keV dans l’eau est de 4,15 cm et le coefficient d’atténuation linéaire pour les rayons X de 100 keV dans l’eau est de 0,167 cm ^-1. Le problème est assez simple et peut être décrit par l’équation suivante:

Si la couche de demi-valeur pour l’eau est de 4,15 cm, le coefficient d’atténuation linéaire est:Maintenant, nous pouvons utiliser l’équation d’atténuation exponentielle:

L’épaisseur d’eau requise est donc d’environ 27,58 cm. Il s’agit d’une épaisseur relativement importante et elle est causée par de petits nombres atomiques d’hydrogène et d’oxygène. Si on calcule le même problème pour le plomb (Pb), on obtient l’épaisseur x=0.077 cm.

Coefficients d’atténuation linéaire

Tableau des coefficients d’atténuation linéaire (en cm^-1) pour différents matériaux à des énergies de photons de 100, 200 et 500 keV.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Diffusion Rayleigh – Diffusion Thomson

La diffusion Rayleigh, également connue sous le nom de diffusion Thomson, est la limite de basse énergie de la diffusion Compton. L’énergie cinétique des particules et la fréquence des photons ne changent pas à la suite de la diffusion. La diffusion Rayleigh se produit à la suite d’une interaction entre un photon entrant et un électron, dont l’énergie de liaison est nettement supérieure à celle du photon entrant. Le rayonnement incident est supposé mettre l’électron en oscillation forcée résonnante de sorte que l’électron réémet un rayonnement de la même fréquence mais dans toutes les directions. Dans ce cas, le champ électrique de l’onde incidente (photon) accélère la particule chargée, l’amenant à son tour à émettre un rayonnement à la même fréquence que l’onde incidente, et donc l’onde est diffusée. La diffusion Rayleigh est significative jusqu’à ≈ 20keV et comme la diffusion Thomson, elle est élastique. La section efficace de diffusion totale devient une combinaison des sections efficaces de diffusion liées de Rayleigh et de Compton. La diffusion Thomson est un phénomène important en physique des plasmas et a été expliquée pour la première fois par le physicien JJ Thomson. Cette interaction a une grande importance dans le domaine de la cristallographie aux rayons X.

Interaction des rayons X avec la matière

Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière. La force de ces interactions dépend de l’ énergie des rayons X et de la composition élémentaire du matériau, mais pas beaucoup des propriétés chimiques, car l’énergie des photons des rayons X est beaucoup plus élevée que les énergies de liaison chimique. L’absorption photoélectrique domine aux basses énergies des rayons X, tandis que la diffusion Compton domine aux énergies plus élevées.

• Absorption photoélectrique
• Diffusion Compton
• Diffusion Rayleigh

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Diffusion Compton des rayons X

La formule de Compton a été publiée en 1923 dans la Physical Review. Compton a expliqué que le déplacement des rayons X est causé par l’ élan des photons, semblable à une particule. La formule de diffusion Compton est la relation mathématique entre le décalage de la longueur d’onde et l’angle de diffusion des rayons X. Dans le cas de la diffusion Compton, le photon de fréquence  f  entre en collision avec un électron au repos. Lors de la collision, le photon rebondit sur l’électron, abandonnant une partie de son énergie initiale (donnée par la formule de Planck E=hf). Alors que l’électron prend de l’élan (masse x vitesse), le photon ne peut pas diminuer sa vitesse. En raison de la loi de conservation de l’impulsion, le photon doit abaisser son impulsion donnée par :

La diminution de l’impulsion du photon doit donc se traduire par une diminution de fréquence (augmentation de la longueur d’onde Δ λ = λ’ – λ ). Le décalage de la longueur d’onde augmente avec l’angle de diffusion selon  la formule de Compton:

où λ  est la longueur d’onde initiale du photon λ’ est la longueur d’onde après diffusion, h est la constante de Planck = 6,626 x 10^-34  Js, m _e est la masse au repos des électrons (0,511 MeV) c est la vitesse de la lumière Θ est la diffusion angle. La variation minimale de longueur d’onde ( λ′  –  λ ) pour le photon se produit lorsque Θ = 0° (cos(Θ)=1) et est au moins nulle. La variation maximale de longueur d’onde ( λ′  −  λ) pour le photon se produit lorsque Θ = 180° (cos(Θ)=-1). Dans ce cas, le photon transfère à l’électron autant de quantité de mouvement que possible. Le changement maximal de longueur d’onde peut être dérivé de la formule de Compton:

La quantité h/m _e c est appelée  longueur d’ onde Compton de l’électron et vaut  2,43.10 ^-12 m. 

Interaction des rayons X avec la matière

Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière. La force de ces interactions dépend de l’ énergie des rayons X et de la composition élémentaire du matériau, mais pas beaucoup des propriétés chimiques, car l’énergie des photons des rayons X est beaucoup plus élevée que les énergies de liaison chimique. L’absorption photoélectrique domine aux basses énergies des rayons X, tandis que la diffusion Compton domine aux énergies plus élevées.

• Absorption photoélectrique
• Diffusion Compton
• Diffusion Rayleigh

Voir également:

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Absorption photoélectrique des rayons X

Dans l’effet photoélectrique, un photon subit une interaction avec un électron qui est lié dans un atome. Dans cette interaction, le photon incident disparaît complètement et un photoélectron énergétique est éjecté par l’atome de l’une de ses couches liées. L’énergie cinétique du photoélectron éjecté (E _e ) est égale à l’énergie du photon incident (hν) moins l’ énergie de liaison du photoélectron dans sa couche d’origine (E_b).

E _e = hν-E _b

Par conséquent, les photoélectrons ne sont émis par effet photoélectrique que si le photon atteint ou dépasse une énergie seuil – l’énergie de liaison de l’électron – le travail de sortie du matériau. Pour les rayons X très élevés avec des énergies supérieures à des centaines de keV, le photoélectron emporte la majorité de l’énergie du photon incident – hν.

Aux faibles valeurs d’énergie des rayons gamma, l’effet photoélectrique domine. Le mécanisme est également renforcé pour les matériaux de numéro atomique Z élevé. Il n’est pas simple de dériver une expression analytique de la probabilité d’absorption photoélectrique du rayon gamma par atome sur toutes les gammes d’énergies des rayons gamma. La probabilité d’absorption photoélectrique par unité de masse est approximativement proportionnelle à :

τ _{(photoélectrique)} = constante x Z ^N /E ^3,5

où Z est le numéro atomique, l’exposant n varie entre 4 et 5. E est l’énergie du photon incident. La proportionnalité aux puissances supérieures du numéro atomique Z est la principale raison de l’utilisation de matériaux à Z élevé, tels que le plomb ou l’uranium appauvri dans les écrans gamma.

Bien que la probabilité de l’absorption photoélectrique du photon diminue, en général, avec l’augmentation de l’énergie du photon, il existe de fortes discontinuités dans la courbe de section. Celles-ci sont appelées « arêtes d’absoption » et ils correspondent aux énergies de liaison des électrons des coquilles liées de l’atome. Pour les photons avec l’énergie juste au-dessus du bord, l’énergie du photon est juste suffisante pour subir l’interaction photoélectrique avec l’électron de la coque liée, disons K-shell. La probabilité d’une telle interaction est juste au-dessus de ce bord bien supérieure à celle des photons d’énergie légèrement en dessous de ce bord. Pour les photons en dessous de ce bord, l’interaction avec l’électron de la couche K est énergétiquement impossible et, par conséquent, la probabilité chute brusquement. Ces bords se produisent également aux énergies de liaison des électrons d’autres couches (L, M, N …..).

Interaction des rayons X avec la matière

Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière. La force de ces interactions dépend de l’ énergie des rayons X et de la composition élémentaire du matériau, mais pas beaucoup des propriétés chimiques, car l’énergie des photons des rayons X est beaucoup plus élevée que les énergies de liaison chimique. L’absorption photoélectrique domine aux basses énergies des rayons X, tandis que la diffusion Compton domine aux énergies plus élevées.

• Absorption photoélectrique
• Diffusion Compton
• Diffusion Rayleigh

Voir également:

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