Désintégration gamma

La désintégration gamma est un type de désintégration radioactive qu'un noyau peut subir. Ce qui distingue ce type de désintégration de la désintégration alpha ou de la désintégration bêta, c'est qu'aucune particule n'est éjectée du noyau lorsqu'il subit ce type de désintégration. Au lieu de cela, une forme de haute énergie de rayonnement électromagnétique - un photon de rayon gamma - est libérée. Les rayons gamma sont simplement des photons dont l'énergie est extrêmement élevée et qui sont hautement ionisants. De plus, le rayonnement gamma est unique dans le sens où le fait de subir une désintégration gamma ne change pas la structure ou la composition de l'atome. Au contraire, il ne modifie que l'énergie de l'atome puisque le rayon gamma ne porte aucune charge et n'a pas de masse associée.

Figure 1. Différents niveaux de pénétration des différents produits de désintégration, le gamma étant l'un des plus pénétrants.

Pour qu'un noyau puisse subir une désintégration gamma, il doit se trouver dans une sorte d'état énergétique excité. Des expériences ont montré que les protons et les neutrons se trouvent dans des états discrets d'énergie à l'intérieur du noyau, pas très différents des états excités que les électrons peuvent occuper dans les atomes. Ainsi, si un proton ou un neutron à l'intérieur du noyau passe à un état excité - généralement à la suite d'une désintégration alpha ou bêta - le nouveau noyau fils doit, d'une manière ou d'une autre, libérer de l'énergie pour permettre au proton ou au neutron de revenir à l'état fondamental. Lorsque le nucléon effectue cette transition d'un état de haute énergie à un état de basse énergie, un photon gamma est émis. L'équation générale qui représente ce processus est la suivante :

[math]\displaystyle{ A^* \rightarrow A + \gamma }[/math]

où :

• [math]\displaystyle{ A^* }[/math] est l'atome excité
• [math]\displaystyle{ A }[/math] est un état neutre de l'atome excité initial
• [math]\displaystyle{ \gamma }[/math] est le photon du rayon gamma libéré

Figure 2. Diagramme montrant la désintégration gamma d'un noyau.

Il est important de savoir qu'un atome subit un rayonnement gamma, mais il est également possible de déterminer la fréquence du rayonnement gamma émis si l'on connaît les états initial et final du nucléon à l'intérieur du noyau. L'équation représentant la fréquence du rayonnement gamma est la suivante :

[math]\displaystyle{ E_i - E_f = hf }[/math]

où :

• [math]\displaystyle{ E_i }[/math] est l'état initial, de plus haute énergie, du nucléon
• [math]\displaystyle{ E_f }[/math] est l'état final, de plus basse énergie, du nucléon
• [math]\displaystyle{ h }[/math] est la constante de Planck
• [math]\displaystyle{ f }[/math] est la fréquence du rayonnement émis

Outre les noyaux radioactifs, il existe de nombreux objets dans l'espace qui émettent des niveaux élevés de rayonnement gamma.

Applications et importance

Les rayons gamma peuvent parfois être nocifs en raison du fait qu'ils sont généralement de très haute énergie et pénètrent donc très facilement la matière. Comme ils pénètrent si facilement, ils font partie des rayonnements les plus utiles à des fins médicales.

Certains des émetteurs gamma les plus utilisés sont le cobalt-60, le césium-137 et le technétium-99m. Le césium est largement utilisé en radiothérapie - le traitement du cancer à l'aide de rayons gamma - ainsi que pour mesurer la densité du sol sur les chantiers de construction et pour étudier les couches de la Terre souterraine dans les puits de pétrole. Le cobalt est utilisé pour stériliser les équipements médicaux et irradier les aliments, tuant ainsi les bactéries et pasteurisant les aliments. Le technétium-99m (qui a une demi-vie plus courte que le technétium-99) est le plus utilisé pour les tests médicaux de diagnostic visant à étudier le cerveau, les os et les organes internes. De même, l'exposition aux rayons gamma peut améliorer la durabilité du bois et des plastiques, et est donc utilisée pour renforcer les revêtements de sol dans les zones à fort trafic.

En outre, l'uranium-238 et l'uranium-235 qui sont utilisés dans le combustible des centrales nucléaires - subissent des désintégrations alpha et gamma lors de leur utilisation. Immédiatement après le processus de fission, des rayons gamma sont libérés, ce qui entraîne des niveaux élevés de rayonnement présents autour du réacteur. Toutefois, des mesures de sécurité sont en place pour garantir que les travailleurs ne s'approchent pas assez près de cette zone radioactive pour être affectés.