Pourquoi la désintégration radioactive se produit-elle?

La désintégration radioactive est un processus spontané par lequel un noyau atomique instable se brise en fragments plus petits et plus stables. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi certains noyaux se désintègrent alors que d'autres non?

C'est essentiellement une question de thermodynamique. Chaque atome cherche à être aussi stable que possible. Dans le cas de la désintégration radioactive, l'instabilité se produit lorsqu'il y a un déséquilibre dans le nombre de protons et de neutrons dans le noyau atomique. Fondamentalement, il y a trop d'énergie à l'intérieur du noyau pour maintenir tous les nucléons ensemble. Le statut des électrons d'un atome n'a pas d'importance pour la décomposition, bien qu'ils aient eux aussi leur propre façon de trouver la stabilité. Si le noyau d'un atome est instable, il finira par se briser pour perdre au moins certaines des particules qui le rendent instable. Le noyau d'origine est appelé le parent, tandis que le ou les noyaux résultants sont appelés la ou les filles. Les filles peuvent encore être radioactives, se diviser éventuellement en plusieurs parties ou être stables.

Trois types de désintégration radioactive

Il existe trois formes de désintégration radioactive: laquelle subit un noyau atomique dépend de la nature de l'instabilité interne. Certains isotopes peuvent se désintégrer par plusieurs voies.

Alpha Decay

Dans la désintégration alpha, le noyau éjecte une particule alpha, qui est essentiellement un noyau d'hélium (deux protons et deux neutrons), diminuant de deux le numéro atomique du parent et le nombre de masse de quatre.

Beta Decay

Dans la désintégration bêta, un flux d'électrons, appelés particules bêta, est éjecté du parent, et un neutron dans le noyau est converti en proton. Le nombre de masse du nouveau noyau est le même, mais le nombre atomique augmente d'une unité.

Gamma Decay

Dans la désintégration gamma, le noyau atomique libère un excès d'énergie sous forme de photons de haute énergie (rayonnement électromagnétique). Le numéro atomique et le nombre de masse restent les mêmes, mais le noyau résultant suppose un état d'énergie plus stable.

Radioactif vs stable

Un isotope radioactif est celui qui subit une décroissance radioactive. Le terme "stable" est plus ambigu, car il s'applique à des éléments qui ne se séparent pas, à des fins pratiques, sur une longue période de temps. Cela signifie que les isotopes stables incluent ceux qui ne se cassent jamais, comme le protium (composé d'un proton, il n'y a donc plus rien à perdre), et les isotopes radioactifs, comme le tellure -128, qui a une demi-vie de 7,7 x 10²⁴ ans. Les radio-isotopes à courte demi-vie sont appelés radio-isotopes instables.

Certains isotopes stables ont plus de neutrons que de protons

Vous pourriez supposer qu'un noyau en configuration stable aurait le même nombre de protons que les neutrons. Pour de nombreux éléments plus légers, cela est vrai. Par exemple, le carbone se trouve généralement avec trois configurations de protons et de neutrons, appelés isotopes. Le nombre de protons ne change pas, car cela détermine l'élément, mais le nombre de neutrons change: le carbone 12 a six protons et six neutrons et est stable; le carbone 13 a également six protons, mais il a sept neutrons; le carbone 13 est également stable. Cependant, le carbone 14, avec six protons et huit neutrons, est instable ou radioactif. Le nombre de neutrons pour un noyau de carbone 14 est trop élevé pour que la forte force d'attraction le maintienne indéfiniment.

Mais, lorsque vous vous déplacez vers des atomes qui contiennent plus de protons, les isotopes sont de plus en plus stables avec un excès de neutrons. En effet, les nucléons (protons et neutrons) ne sont pas fixés en place dans le noyau, mais se déplacent et les protons se repoussent parce qu'ils portent tous une charge électrique positive. Les neutrons de ce noyau plus grand agissent pour isoler les protons des effets les uns des autres.

Le rapport N: Z et les nombres magiques

Le rapport neutrons / protons, ou rapport N: Z, est le principal facteur qui détermine si un noyau atomique est stable ou non. Éléments plus légers (Z < 20) prefer to have the same number of protons and neutrons or N:Z = 1. Heavier elements (Z = 20 to 83) prefer an N:Z ratio of 1.5 because more neutrons are needed to insulate against the repulsive force between the protons.

Il y a aussi ce qu'on appelle les nombres magiques, qui sont des nombres de nucléons (protons ou neutrons) qui sont particulièrement stables. Si le nombre de protons et de neutrons ont ces valeurs, la situation est appelée double nombre magique. Vous pouvez penser à cela comme étant le noyau équivalent à la règle d'octet régissant la stabilité de la couche d'électrons. Les nombres magiques sont légèrement différents pour les protons et les neutrons:

• Protons: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutrons: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Pour compliquer davantage la stabilité, il existe des isotopes plus stables avec un rapport pair-pair Z: N (162 isotopes) que pair-impair (53 isotopes), que impair-pair (50) que des valeurs impair-impair. (4).

Aléatoire et désintégration radioactive

Une dernière remarque: le fait qu'un noyau subisse ou non une décomposition est un événement complètement aléatoire. La demi-vie d'un isotope est la meilleure prévision pour un échantillon suffisamment grand des éléments. Il ne peut pas être utilisé pour faire une sorte de prédiction sur le comportement d'un noyau ou de quelques noyaux.

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