RADIOACTIVITÉ

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La radioactivité désigne un vaste ensemble de phénomènes physiques, dont le dénominateur commun consiste en une modification du noyau atomique des éléments.

Il existe dans la nature une centaine de type d'atomes. Ils ont été regroupés par Mendeleïev en 1869 sur un tableau montrant les analogies chimiques. Un atome (dimension environ 10—10 m) est lui-même constitué d'un noyau minuscule (environ 10—15 m) contenant toute la masse, et de Z électrons évoluant autour de lui sur des couches concentriques diffuses. Ce nombre Z, appelé numéro atomique, caractérise l'élément « X » et ses propriétés chimiques (par exemple, Z = 8 si X est O, l'oxygène). Le noyau est lui-même un assemblage compact de Z protons et de N neutrons, formant un système de A = N + Z nucléons. Le nombre A s'appelle nombre de masse et le noyau correspondant s'écrit AZXN ou, en abrégé, AX et s'appelle un nucléide. Deux éléments de même nombre atomique Z, mais de A (ou N) différents sont des isotopes ; ils ont les mêmes propriétés chimiques, mais peuvent avoir des propriétés physiques fort différentes. Ainsi l'élément carbone C (Z = 6) est représenté sur la Terre essentiellement par 12C, mais aussi par 13C et 14C. La nature est très généreuse dans la distribution des rôles. Un même nucléide existe avec des masses, ou énergies, différentes ; cela correspond à des configurations différentes de répartition des nucléons. Dans son arrangement d'énergie la plus basse, le noyau est dans son état fondamental. Dans les autres configurations, il se trouve dans un état excité.

La nature recherche les configurations où l'énergie est minimale. Si un noyau se trouve par hasard dans un état qui ne correspond pas à ce minimum, il va tout faire pour trouver un chemin qui mène à celui-ci et qui soit compatible avec un certain nombre de règles de conservation (énergie, charge électrique...). Sa quête du bon chemin pourra prendre un temps très variable. Ainsi, un état excité revient spontanément à un état d'énergie plus basse, voire à l'état fondamental correspondant au niveau d'énergie le plus bas, en émettant de la lumière. Cette lumière possède une très courte longueur d'onde, nommée rayonnement gamma (γ). Ce passage est très bref, de l'ordre de 10—9 à 10—14 s ; on l'appelle désexcitation d'un état excité. Mais il arrive que l'état fondamental lui-même ait besoin de se transmuter pour se vêtir d'une énergie plus basse ; il est forcé de changer d'espèce. Cette alchimie se produit spontanément dans la nature et la transmutation du noyau vers une configuration plus stable constitue le phénomène de radioactivité ; le noyau originel est dit radioactif. Par opposition, un noyau perdurant éternellement est dit stable.

La découverte de la radioactivité

En 1895, Wilhelm C. Röntgen remarque que le verre du tube cathodique qu'il utilise pour ses expériences émet un rayonnement invisible capable d'impressionner une plaque photographique. Il nomme rayons X ce rayonnement étrange. Il présente sa nouvelle découverte à l'Académie des sciences de Paris en janvier 1896. Henri Poincaré est très intéressé par ce phénomène et demande à Henri Becquerel d'étudier le rapport entre phosphorescence et rayons X. Becquerel est issu d'une lignée de brillants physiciens, spécialistes de phosphorescence et de luminescence. Il se met sans tarder au travail et déniche dans son laboratoire des cristaux de sulfate double d'uranyle et de potassium. Il dépose ce sel sur une plaque photographique entourée d'un papier noir et expose le tout au soleil. Après développement, la plaque est effectivement impressionnée. Ainsi donc, ce sel émet bien des « rayons X », après excitation par la lumière solaire. Mais l'histoire ne s'arrête pas là, et comme souvent, c'est un heureux hasard qui est à l'origine d'une fantastique découverte. Vers la fin février 1896, il prépare son matériel habituel mais, le soleil étant absent, il décide de remettre à plus tard son expérience et enferme ses plaques dans un tiroir. Quelle n'est pas sa surprise de constater, quelques jours plus tard, que celles-ci ont été fortement impressionnées dans le noir. Ce sel n'est donc pas phosphorescent, mais il émet un rayonnement de façon intrinsèque ! La ra [...]

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Imagerie médicale : les découvreurs de la radioactivité artificielle

Imagerie médicale : les découvreurs de la radioactivité artificielle
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Nucléides connus

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Familles radioactives « naturelles »

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Pour citer l’article

Bernard SILVESTRE-BRAC, « RADIOACTIVITÉ », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 22 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/radioactivite/