Radioactivité β
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La radioactivité bêta ou émission bêta (symbole β) est un type de désintégration radioactive dans laquelle une particule bêta (un électron ou un positron) est émise. On parle de désintégration bêta moins (β-) ou bêta plus (β+) selon que c'est un électron (particule chargée négativement) ou un positron (particule chargée positivement) qui est émis.
[modifier] Désintégration β-
Un neutron est converti en proton par l'intermédiaire de la force nucléaire faible et une particule β- (un électron) et un anti-neutrino sont émis :
Le spectre d’énergie (nombre de particules émises en fonction de leur énergie cinétique) des β- (électrons) est continu en raison du partage de l'énergie entre les trois corps. Il n'y a pas d'énergie minimale.
La réaction est énergétiquement possible à la seule condition que le noyau atomique fils soit moins lourd que le noyau père.
Exemple d'une réaction β- pour le tritium (3H+) qui se transforme en hélium-3 (3He2+) :
Exemple d’une réaction β- pour l’isotope radioactif cobalt-60 (60Co) qui se transforme en nickel-60 (60Ni+) stable :
On note dans cet exemple que l'ion nickel produit échappe aux orbitales cristallines habituelles, surtout si le cobalt était sous forme cristalline, où l'atome de nickel va devoir se réarranger en captant des électrons voisins. Comme les électrons bêta émis se déplacent dans le cristal, les orbitales des autres atomes du cristal sont réarrangées le long de son parcours, et l'électron bêta peut être finalement capté par le cristal lui-même sans pouvoir s'en échapper.
Comme le spectre d'énergie d'émission est continu, nombre de désintégrations bêta se produisant au cœur d'un cristal métallique de cobalt-60 ne s’en échappent pas, et on ne détecte éventuellement à l'extérieur du cristal que les neutrinos émis (qui sont très difficiles à capter et à détecter) ou des électrons très ralentis le long de leur parcours. Mais l'ion nickel produit par la désintégration va aussi entrer en collision avec les atomes voisins du cristal et provoquer une onde de choc se propageant dans tout le cristal (le cobalt à la surface du cristal peut se sublimer). Par contre, près de la surface du cristal, on détectera la moitié des émissions d'électrons beta.
Par contre, si le neutrino est émis avec une énergie faible, l'électron bêta et l'ion nickel vont être propulsés à haute vitesse dans des directions quasi-opposées, le premier traversant facilement tout le cristal, et l'ion frappant fortement les atomes cristallins voisins : l'électron est émis alors d'un côté du cristal, et on observe une sublimation de cobalt gazeux de l'autre côté du cristal, sublimation amplifiée par la température. Sur une source très enrichie et jeune de cobalt-60,de nombreuses désintégrations ont lieu, et le cristal émet en continu un mélange de cobalt-60 gazeux (encore radioactif), de neutrinos et d'électrons bêta dont certains possèdent des énergies très importantes.
[modifier] Désintégration β+
Un proton est converti en neutron par l'intermédiaire de la force nucléaire faible et une particule β+ (un positron) et un neutrino sont émis:
Le spectre d'énergie [nombre de particules émises en fonction de leur énergie cinétique] des β+ (positrons) est continu du au partage de l'énergie entre les trois corps. Nous remarquons cependant une vitesse minimale des positrons. Celle-ci est due à la répulsion coulombienne de ce dernier avec le noyau.
Cette réaction ne peut avoir lieu que si la masse du noyau fils additionnée de deux fois la masse de l'électron est inférieure à celle du noyau père.
Exemple d'une réaction β+ pour le fluor qui se transforme en oxygène :
[modifier] Existence du neutrino
L'étude de la désintégration bêta amena à postuler l'existence du neutrino.
En 1931, Wolfgang Pauli proposa que l'énergie « manquante » était emportée par une autre particule, non encore découverte : le neutrino.
Voici ce que permet d'expliquer la présence du neutrino :
- Le spectre d'énergie d'émission des particules bêta est continu. Ceci s'explique facilement si l'énergie se partage entre trois corps.
- La quantité de mouvement doit être conservée, or du fait d'un système à trois corps, la particule bêta ne part pas de façon opposée au noyau.
- Le neutrino permet de conserver le nombre leptonique : la création d'un lepton s'accompagne de celle d'un anti-lepton (paires électron/anti-neutrino électron ; anti-électron/neutrino électron).
Le problème fut analysé de façon plus détaillée par Enrico Fermi, mais il fallu attendre 1959 pour les premières observations expérimentales de neutrinos.
