Désintégration bêta

Figure 1. Un modèle de désintégration bêta-minus, montrant l'éjection d'un électron du noyau et la transformation spécifique d'un neutron.

La désintégration bêta est un processus de désintégration nucléaire dans lequel un noyau instable se transforme et éjecte des particules pour devenir plus stable. Il existe deux types différents de désintégration bêta - bêta moins et bêta plus. Dans ces deux désintégrations, un nucléon du noyau est transformé en un autre type de nucléon, libérant ainsi des particules. Les désintégrations bêta moins et bêta plus sont modérément pénétrantes (c'est-à-dire que le rayonnement peut pénétrer profondément dans un objet solide). Il existe un processus étroitement lié appelé capture d'électron, dans lequel un électron est capturé dans le noyau et qui agit exactement comme le bêta plus.

La désintégration bêta minus se produit lorsqu'un noyau possède trop de neutrons. Dans ce type de désintégration, un neutron du noyau est transformé en un proton et un électron, l'électron étant éjecté du noyau. Pour garantir le respect des règles de la physique des particules, une minuscule particule appelée anti-neutrino est également libérée. L'équation générale représentant la désintégration bêta moins est :

[math]\displaystyle{ ^A_ZX_N \rightarrow ^A_{Z+1}Y_{N-1} + e^- + \bar{\nu} }[/math]

où :

• [math]\displaystyle{ ^A_ZX_N }[/math] est le noyau parent
• [math]\displaystyle{ ^A_{Z+1}Y_{N-1} }[/math] est le noyau fils
• [math]\displaystyle{ e^- }[/math] est la particule bêta libérée, un électron
• [math]\displaystyle{ \bar{\nu} }[/math] est l'anti-neutrino libéré

La désintégration bêta plus provient d'un noyau contenant trop de protons. Dans ce type de désintégration, un proton du noyau est transformé en un neutron et un positron (qui est simplement une version positive de l'électron). Pour garantir le respect des règles de la physique des particules, une minuscule particule appelée neutrino est également libérée. L'équation générale représentant la désintégration bêta positive est :

[math]\displaystyle{ ^A_ZX_N \rightarrow ^A_{Z-1}Y_{N+1} + e^+ + \nu }[/math]

où :

• [math]\displaystyle{ ^A_ZX_N }[/math] est le noyau parent
• [math]\displaystyle{ ^A_{Z-1}Y_{N+1} }[/math] est le noyau fille
• [math]\displaystyle{ e^+ }[/math] est la particule bêta libérée, un positron.
• [math]\displaystyle{ \nu }[/math] est le neutrino libéré.

Dans les désintégrations bêta moins et bêta plus, c'est l'interaction nucléaire faible qui entraîne la transformation d'un nucléon en un nucléon différent.

Sécurité

Le rayonnement bêta est légèrement plus pénétrant que la désintégration alpha, mais il est encore loin d'être aussi pénétrant que la désintégration gamma. D'une manière générale, comme le rayonnement bêta n'est pas extrêmement pénétrant, il est plutôt un problème lorsqu'il est ingéré. Si une source bêta pénètre dans le corps, elle endommage les tissus et peut augmenter le risque de cancer. La figure 2 montre les niveaux relatifs de pénétration d'une variété de différents types de rayonnement.

Figure 2. Différents niveaux de pénétration de différents produits de désintégration, la désintégration gamma étant l'un des plus pénétrants et la désintégration alpha l'un des moins pénétrants.

L'exposition aux rayonnements bêta peut entraîner une grande variété d'effets sur la santé. En général, l'exposition aux sources de désintégration bêta est de nature chronique. Les effets chroniques sont le résultat d'expositions de faible niveau aux rayonnements bêta sur une période prolongée, et peuvent prendre entre 5 et 30 ans pour se développer. L'effet secondaire le plus important de l'exposition est le cancer. Certains émetteurs bêta se répartissent dans tout le corps - comme le carbone-14 (qui existe naturellement à des niveaux qui ne causent aucun dommage au corps humain) - tandis que d'autres s'accumulent dans des organes spécifiques. C'est le cas par exemple de l'iode-131, qui se concentre dans la glande thyroïde et augmente le risque de cancer de la thyroïde.

Applications et importance

Les éléments qui présentent une désintégration bêta peuvent avoir des applications médicales utiles. La thérapie par radionucléides (RNT) ou radiothérapie est un traitement du cancer qui utilise la désintégration bêta. Dans ce processus, le lutécium-177 ou l'yttrium-90 est fixé à une molécule et ingéré. Une fois dans le corps, cette molécule se déplace jusqu'aux cellules cancéreuses. Les atomes radioactifs subissent alors un processus de désintégration, libérant des particules bêta et tuant les cellules cancéreuses proches.

De plus, la datation au carbone repose sur les propriétés de la désintégration bêta. Pour déterminer l'âge approximatif des objets, du bois et des restes d'animaux, il faut déterminer le rapport entre le carbone-14 et le carbone-12 dans un objet. Le carbone-14 est généré par la lumière du soleil dans l'atmosphère à partir de l'azote-14, que les plantes respirent lors de la photosynthèse, et il y a donc une certaine quantité de carbone-14 dans les restes organiques. Les plantes sont mangées par les animaux et reçoivent également du carbone-14. Lorsqu'un corps organique commence à se décomposer, une partie de ce carbone-14 se transforme en azote-14 (par un processus de désintégration bêta) et, au fil des ans, la quantité de carbone-14 dans l'échantillon s'épuise. En examinant le rapport entre le carbone-14 et le carbone-12, on peut déterminer l'âge approximatif de l'artefact.

Pour en savoir plus sur la désintégration bêta, veuillez consulter hyperphysics.

PhET

L'Université de Colorado nous a gracieusement autorisés à utiliser la simulation PhET suivante. Cette simulation illustre comment les noyaux radioactifs se désintègrent par désintégration bêta, et montre la demi-vie de ces atomes.

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