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Qu’est-ce que la série radioactive – Cascade radioactive – Définition

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. Propriétés des matériaux

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.

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 alphaLa 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 bêtaLa 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

série thorium - chaîne de désintégrationLa 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’ énergie totale libérée du thorium-232 au plomb-208, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 42,6 MeV.

Série Neptunium

série neptunium - chaîne de désintégrationLa 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’ 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

série uranium - chaîne de désintégrationLa 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’ 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 238U238U 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

série actinium - chaîne de désintégrationLa 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.

Références :

Protection contre les radiations:

  1. Knoll, Glenn F., Radiation Detection and Measurement 4th Edition, Wiley, 8/2010. ISBN-13 : 978-0470131480.
  2. Stabin, Michael G., Radioprotection et dosimétrie : une introduction à la physique de la santé, Springer, 10/2010. ISBN-13 : 978-1441923912.
  3. Martin, James E., Physics for Radiation Protection 3rd Edition, Wiley-VCH, 4/2013. ISBN-13 : 978-3527411764.
  4. USNRC, CONCEPTS DE RÉACTEURS NUCLÉAIRES
  5. Département américain de l’énergie, de la physique nucléaire et de la théorie des réacteurs. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.

Physique nucléaire et des réacteurs:

  1. JR Lamarsh, Introduction à la théorie des réacteurs nucléaires, 2e éd., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
  2. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
  3. WM Stacey, Physique des réacteurs nucléaires, John Wiley & Sons, 2001, ISBN : 0-471-39127-1.
  4. Glasstone, Sesonské. Ingénierie des réacteurs nucléaires : Ingénierie des systèmes de réacteurs, Springer ; 4e édition, 1994, ISBN : 978-0412985317
  5. WSC Williams. Physique nucléaire et des particules. Presse Clarendon ; 1 édition, 1991, ISBN : 978-0198520467
  6. GRKeep. Physique de la cinétique nucléaire. Pub Addison-Wesley. Co; 1ère édition, 1965
  7. Robert Reed Burn, Introduction au fonctionnement des réacteurs nucléaires, 1988.
  8. Département américain de l’énergie, de la physique nucléaire et de la théorie des réacteurs. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
  9. Paul Reuss, Physique des neutrons. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN : 978-2759800414.

Voir également:

Désintégration radioactive

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