Le noyau des atomes est constitué de nucléons de deux types: les neutrons (électriquement neutres) et les protons (chargés positivement). C'est un assemblage curieux qui maintient à très grande proximité des particules chargées positivement qui ont donc tendance à se repousser. Les forces mises en jeu sont considérables à l'échelle du noyau. D'autres intéractions, appelées intéractions fortes et faibles compensent la répulsion des protons.
Néanmoins l'assemblage devient fragile quand les proportions de neutrons et de protons ne sont plus respectées, ou lorsque le noyau est trop gros. Les noyaux stables ( on parle de nucléides, définis par leur nombre de nucléons A, leur nombre de protons Z - aussi appelé numéro atomique - et par leur nombre de neutrons N) se retrouvent dans une bande étroite du tableau N = f(Z), définie comme étant la "vallée de stabilité". En dehors de cette zone, point de salut pour les nucléides qui, instables, vont se désintégrer en émettant une particule. C'est la radioactivité.
Les particules et le rayonnement g émis lors de la désintégration radioactive ont des effets mesurables (effets sur une émulsion photographique, effets biologiques, effet ionisant sur l'air qui peut provoquer la décharge d'un électroscope, effet ionisant sur les gaz qui leur permet de conduire ponctuellement l'électricité entre deux électrodes comme dans le compteur GEIGER). Ces effets permettent de détecter la radioactivité.
Cependant, ces techniques ne permettent pas de visualiser les particules et leurs trajectoires. La chambre à brouillard, inventée par WILSON dès 1912, permet de visualiser les trajectoires des particules. La chambre à brouillard que nous allons utiliser est plus perfectionnée que celle de WILSON qui ne fonctionnait que quelques secondes après avoir détendu, avec une pompe à main, de la vapeur d'eau. Celle que nous utilisons utilise un gradient de température pour produire une vapeur en continu. Elle est construite par CONATEX-DIDACTIC.
Lors de la désintégration radioactive, l'émission des particules est généralement accompagnée d'une onde électromagnétique très énergétique appelée "rayon gamma". Ces ondes sont produites lors de la réorganisation (on dit désexcitation) du noyau, consécutive à sa désintégration.
Principe de fonctionnement de la chambre à brouillard :
- 5 à 10 mL de solution aqueuse de propan-2-ol à 80 % sont déposés sur l'absorbant du couvercle,
- les vapeurs d'alcool remplissent progressivement la chambre,
- le plateau est refroidi à -30°C ( une cellule PELTIER alimentée par un courant de 8 A et réfrigérée par un écoulement d'eau permet d'atteindre cette température en quelques minutes),
- à proximité de la plaque, les vapeurs d'alcool sont refroidies à une température inférieure à leur température de condensation, elles ont donc tendance à former un brouillard (fines gouttes de liquides en suspension dans l'air). La formation de ce brouillard est retardée car il n'existe pas de noyaux solides sur lesquels la condensation peut se faire. Il y a sursaturation en vapeur d'alcool. La moindre fluctuation peut provoquer l'apparition de brouillard. Il suffirait d'envoyer de la poussière dans la chambre pour provoquer son apparition.
- les rayonnements ionisants produits par la radioactivité ambiante ou d'origine cosmique, en traversant les vapeurs ionisent quelques molécules d'alcool qui déclenchent alors la formation du brouillard. Les ions formés, se neutralisent spontanément et les traces de brouillard disparaissent.
- des DEL blanches sur le côté de la chambre, permettent de visualiser ces traces fugitives qui apparaissent en blanc sur un fond noir.
Sur la vidéo ci contre, on distingue en temps réel des traces formées par des particules a ( épaisses, courtes), des traces formées par des électrons ( diffuses, fines, longues et en zigzag ).
Quelquefois, mais pas sur cet enregistrement, on observe aussi des traces fines, lumineuses, longues et rectilignes: ils s'agit de muons d'origine cosmique.
La désintégration de noyaux radioactifs suit les régles suivantes:
- c'est un phénomène spontané, inéluctable et incontrôlable ( les conditions physiques - pression et température - et l'environnement chimique n'ont aucune influence),
- c'est un phénomène strictement aléatoire ( comme un jet de dés ) et donc sans vieillissement (c'est à dire que la probabilté de se désintégrer du noyau d'un radionucléide ne dépend pas de son âge - par exemple la probabilité qu''n noyau de carbone 14 se désintègre dans l'heure qui suit est strictement la même que ce noyau ait 10 jours ou 45 000 ans !).
La constante radioactive l, caractéristique d'un radionucléide, exprime la probabilité de désintégration par unité de temps.
La constante radioactive de l'Uranium 238 ( 1.5 E-10 /an) comparée à celle de l'Iode 131 (8.7 E-02 / jour) montre que les radionucléides ont des différences énormes du point de vue de leur stabilité. Par exemple, l'Uranium 238 est infiniment plus stable que l'Iode 131.
La population de noyaux d'Iode 131 diminuera donc plus rapidement qu'une population de noyaux d'Uranium 238.
Une autre grandeur, la demi-vie radioactive t1/2 (on pourra aussi trouver le terme "période radioactive") exprime la rapidité de la décroissance d'une population d'un radionucléide: c'est la durée nécessaire pour que la moitié de la population se soit désintégrée.
Il existe une relation simple entre demi-vie radioactive et constante radioactive : t1/2 = Ln (2) / l
La demi vie radioactive permet d'imaginer l'allure de la courbe qui traduirait l'évolution temporelle d'une population N de noyaux d'un radionucléide de demi-vie t1/2.
La population initiale est noté No.
Une autre fonction, exponentielle et basée sur la constante radioactive, permet d'obtenir le même résultat :
Cette fonction N = No exp ( - l t ) est nommée loi de décroissance radioactive.
Nous allons montrer qu'elle est conforme à l'expérience.
La thorine ou dioxyde de thorium ThO2, est un composé utilisé assez couramment en industrie aéronautique (en alliages pour améliorer la tenue à la température), en chimie (catalyseur en pétrochimie), en électronique (allié avec le tungstène dans le filament des lampes, céramique de certaines résistances), dans les céramiques techniques devant résister à de très hautes températures (creusets), dans l'industrie nucléaire (combustible expérimental) ...
On en trouvait aussi dans le manchons des lumi-gaz utilisés en camping.
Le thorium 232 est radioactif de type a mais présente une très grande demi-vie. L'activité de la thorine est donc assez faible.
La descendance radioactive de la thorine constitue une famille nombreuse mais faiblement représentée car de demi-vie radioactive beaucoup plus faible que celle du Thorium 232. Dans cette famille radioactive, on peut remarquer la présence du Radon 220. Dans les conditions de pression et de température normales, le Radon est un gaz monoatomique. Tous les autres représentants de la famille du Thorium 232 sont solides.
Un échantillon de thorine produit donc des traces de Radon 220 sous forme de gaz.
Une seringue de 60 mL est équipée d'un tampon de coton qui sert de filtre à poussière.
ATTENTION ! La thorine n'est que très faiblement radioactive. Prendre cependant des précautions élémentaires lors de sa manipulation (travailler sous la hotte ou avec un masque à poussière, ne manipuler que des petites quantités, maintenir le flacon fermé, ne pas manger ou fumer pendant le prélèvement, se laver les mains après le prélèvement).
Quelques décigrammes de thorine sont placés dans le corps de la seringue. Lorsqu'on appuie sur le piston, les particules solides sont maintenues dans la seringue. Mais des traces de radon 220 sont éjectées.
On envoie le contenu de la seringue dans la chambre à brouillard.
Après avoir injecté les traces de radon 220 dans la chambre à brouillard et quelques minutes plus tard (le temps que le brouillard se reforme), on oberve de nombreuses traces liées à la désintégration a du radon 220.
On peut noter de nombreuses traces en forme de " V ". Elles s'expliquent facilement par la demi-vie très courte du Polonium 216, produit par la désintégration du radon 220, qui se désintégre en émettant un nouvelle particule a quasiment instantanément après la désintégration du Radon 220.
Un enregistrement vidéo (une image toutes les 10 secondes pendant 10 min) est réalisé et permet de visualiser la décroissance du nombre de traces donc de la polpulation de Radon 220 dans la chambre.
Note: la lecture de ce fichier video ne s'effectue pas en temps réel avec certains lecteurs (Windows Media PLayer par exemple) mais en accéléré.
En jouant sur la durée de l'enregistrement et la fréquence des images, on doit pouvoir obtenir des résultats bien meilleurs que ceux que nous avons obtenus. Néanmoins, même avec des paramètres non optimisés, on peut obtenir un résultat assez concluant.
Si on lit cette video image par image, on peut (ce n'est pas toujours facile mais même avec cette incertitude, les résultats sont lisibles) pour chaque image dénombrer le nombre de traces. Sachant qu'il y a une image toutes les dix secondes, on peut estimer l'évolution du nombre N de traces (donc du nombre de noyaux de Radon 220) au cours du temps.
On peut superposer à ce résultat expérimental une courbe théorique correspondant à la loi de décroissance radioactive ( N = No exp(- l t ) avec l égale à Ln(2) / t1/2 et t1/2 = 55.6 s).
On observe une assez bonne corrélation entre la courbe théorique et les résultats expérimentaux !
