La radioactivité expliquée aux enfants Nuc#1

Aujourd’hui, nous allons retourner dans le monde des atomes ! Nous allons évoquer une de leurs propriétés particulières : la radioactivité qui concerne certains d’entre eux. Ce mot évoque parfois quelque chose de dangereux, alors nous allons t’expliquer ce phénomène et ses conséquences.

L’atome, c’est quoi ? Comme tu le sais sûrement, la matière est constituée d’atomes, c’est-à-dire des grains de matière extrêmement petits, les plus petits grains d’un élément chimique qu’on puisse trouver. L’atome est la brique de base du domaine de la chimie, un domaine d’étude qui explique quelles briques sont utilisées pour les différentes matières du monde.

Au centre d’un atome, se trouve un noyau constitué de charges électriques positives appelées protons et de charges neutres (les neutrons) agglutinées ensemble et retenues par une force très puissante : on l’appelle d’ailleurs la force nucléaire forte. « Nucléaire » ça vient du latin « nucleus » qui signifie « noyau », ce qui explique que l’ensemble « protons » et « neutrons » s’appelle « les nucléons ».

Autour du noyau, des électrons qui eux ont une charge négative, tourbillonnent à grande vitesse à une certaine distance du noyau. Entre les deux, c’est le vide !

Il y a autant d’électrons que de protons et ils portent la même charge, ce qui fait que l’atome est globalement neutre électriquement. Le nombre de protons (ou d’électrons) est une caractéristique de l’atome et définit précisément l’élément chimique auquel on a affaire. Par exemple, tous les atomes d’hydrogène possèdent un seul proton dans leur noyau et un seul électron.

Des variantes Le nombre d’électrons est toujours égal au nombre de protons pour avoir la neutralité électrique. Par contre, un même élément peut présenter des variantes car le nombre de neutrons peut varier. On a toujours le même élément chimique car le nombre de protons reste identique et ces différentes variantes sont appelées « isotopes » de cet élément.

Des représentations

On a souvent tendance à représenter l’atome avec le noyau au centre et des électrons qui se trouvent sur des orbites (comme les planètes autour du soleil) : c’est un modèle, c’est-à-dire une schématisation facile à comprendre.

En effet, d’autres scientifiques ont montré que dans la réalité, c’est un peu plus compliqué car on ne peut pas décrire la position des électrons aussi précisément. Les théories les plus récentes disent que les électrons sont plutôt présents dans des zones de type « nuage » autour du noyau et la représentation exacte de cette structure fait appel à des notions un peu complexes.

Que se passe-t-il dans le noyau ? Comme on l’a dit, les protons et neutrons y sont très fortement « collés » par la force « nucléaire forte », c’est très efficace surtout quand les nucléons ne sont pas trop nombreux : la force agit surtout lorsque les nucléons sont très proches. L’atome est « stable » car aucune particule n’a tendance à s’échapper du groupe. Oui mais cela a des limites.

Ainsi lorsque les atomes sont très gros parce qu’ils contiennent un nombre important de nucléons qui nécessairement occupent plus de place, la force qui permet de les maintenir en cohésion n’est plus suffisante et ils ont tendance à se désolidariser !

Ces gros noyaux sont donc instables et vont chercher à se réorganiser, se transformer pour gagner en stabilité : cela peut aller très vite, d’une fraction de seconde à des temps beaucoup plus longs comme des milliards d’années ! On peut citer dans cette catégorie l’uranium, qu’on retrouve partout sur Terre. L’uranium 238 par exemple contient 92 protons et 126 neutrons dans son noyau : ça fait un sacré monde !

De même lorsque les nombres de neutrons et protons ne sont pas équilibrés dans certains isotopes -comme dans le potassium 40-, cela crée un « malaise » et là-aussi, le noyau est instable et finit par se réorganiser.

Les noyaux instables sont radioactifs Comment se passe finalement cette réorganisation ? Au niveau du noyau, des nucléons en « trop » s’échappent et parfois cela s’accompagne de l’émission de rayons invisibles mais de très haute énergie (encore plus « forts » que des rayons X). Parfois, il peut aussi y avoir une réorganisation dans le noyau ayant pour conséquence l’éjection d’un électron. On peut ainsi avoir pour un atome instable : – un rayonnement de particules (on parle de rayonnement alpha ou beta * selon le type de particules qui s’échappe), – un rayonnement seul sans particule comme un rayon de lumière invisible mais en version bien plus puissante ! Il s’agit de rayons gamma ! Les 2 phénomènes peuvent d’ailleurs se produire en même temps et constituent ce qu’on appelle la radioactivité ! Les noyaux instables sont radioactifs, et le fait qu’ils évacuent des particules s’appelle " la désintégration ".

Désintégration d’un atome par l’émission d’un noyau d’hélium (c’est un rayonnement alpha)

NB : Un noyau très lourd peut aussi se couper en deux noyaux plus légers. C’est la fission, et on en reparlera.

Ainsi le noyau de l’atome instable se transforme, évolue, il perd des bouts de lui (des nucléons sont perdus ou changent d’identité *) : au bout de cette désintégration, il est donc devenu un autre élément chimique, il a changé d’identité. Ce nouvel atome sera stable ou non. S’il ne l’est pas, il émettra à son tour un rayonnement. On obtient ainsi une filiation c’est-à-dire une « famille » d’éléments radioactifs. Le phénomène ne s’arrête que lorsque l’atome final est stable.

La désintégration est le résultat d’un ensemble de forces qui agissent au niveau du noyau et qu’on ne détaillera pas (mais tu connais déjà l’une d’elles, c’est la force nucléaire forte).

* Dans le cas du rayonnement beta, les nucléons changent d’identité. Un proton se transforme en neutron ou l’inverse ! Cela s’accompagne de l’émission d’autres particules (comme par exemple, un électron).

Mais finalement, d’où cela vient-il ? Et on trouve-t-on de la radioactivité ? C’est ce que nous verrons dans le prochain épisode