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Périodes et activités



La décroissance radioactive : une loi fondamentale

La loi de décroissance radioactive est une loi fondamentale de la radioactivité. Quand un noyau émet une particule alpha ou un électron bêta, il se transforme : c’est ainsi que du radium devient du radon, du tritium de l’hélium ! De ce fait, le nombre d’atomes de l’espèce radioactive diminue inexorablement. Il en va de même du nombre de désintégrations par seconde, que l’on appelle activité de la source radioactive, et du nombre de rayonnements émis. Nombre d'atomes radioactifs, nombre de désintégrations, nombre de rayonnements émis marchent de concert. Ils décroissent de la même façon !

DemiVie
Le nombre de noyaux d’un échantillon radioactif diminue de moitié au bout d’un temps caractéristique appelé "période radioactive". Cette division par deux ne dépend pas de l’âge des noyaux. Au bout de deux périodes, le nombre de noyaux est divisé par quatre, au bout de trois périodes par huit, etc… Cette loi de décroissance en fonction du temps est dite exponentielle. La période est, avec la nature des rayonnements émis, la principale caractéristique d’un élément radioactif.
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La décroissance est simple quand le noyau retrouve la stabilité après avoir émis son rayonnement : une décroissance qui ressemblerait à celle d’un placement qui perdrait chaque année quelques pourcents de sa valeur ! La population des radioéléments décroît selon une loi appelée exponentielle. Cette population est divisée par deux, chaque fois qu'un laps de temps caractéristique de l'espèce radioactive, appelé période ou encore demi-vie s'écoule. La période radioactive, qui mesure la rapidité de la décroissance, est une caractéristique du noyau.

L’évolution se complique si l’espèce radioactive est elle-même issue de désintégrations antérieures, ou si le noyau produit est lui-même radioactif (c'est le cas des descendants de l'uranium et du thorium). On parle alors de filiation radioactive. L’espèce peut être également régénérée d'une façon continue par le rayonnement cosmique comme le carbone-14 dans l’atmosphère ou encore par le bombardement de neutrons à l’intérieur d’un réacteur. Au bout d’un certain temps un équilibre va s'établir : l’équilibre radioactif. En tout état de cause, le nombre de noyaux qui se désintègrent à un instant donné reste toujours en proportion du nombre de noyaux de l’espèce présents.

Des millions de milliards de milliards d'atomes sont présents dans le moindre gramme de matière. Même présents en proportion infime dans un échantillon, les noyaux radioactifs sont innombrables. L’activité (le rythme de leurs désintégrations ou des rayons qu'ils émettent) est toujours mesurée par des chiffres impressionnants qui reflètent simplement la petitesse des noyaux et leur multitude symbolisée par le nombre d'Avogadro.

La transformation radioactive d’un noyau individuel est un phénomène spontané et aléatoire dont on ne saurait prédire quand elle se produira. La transformation d'un noyau ne dépend pas de son âge et n'influence pas les autres. Un noyau de carbone 14 provenant des cendres d'un foyer d’une caverne préhistorique et un autre provenant d’un arbre fraîchement coupé ont la même chance de se désintégrer dans les temps à venir..

Calcul de l'activité d'un échantillon de massem et période T
Les valeurs des activités exprimées en becquerels sont très élevées en raison du nombre d'Avogadro : 6,023 suivi de 23 zéros. 0,693 est le logarithme népérien de 2. Pour exprimer la période T en secondes, il faut multiplier la valeur en années par 31,6 millions, le nombre de secondes en une année.
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Cette probabilité de désintégration constante au cours du temps est une caractéristique du noyau. Elle est reliée simplement à la période radioactive. La formule ci-dessus montre qu'elle elle varie comme l'inverse de la période.

Traduction anglaise