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Radioactivité gamma (γ)



Où comment les noyaux se débarrasent d'un surplus d'énergie

C'est en 1900, que le physicien Français Paul Villard mit en évidence le rayonnement gamma (γ). Ce rayonnement n'était pas dévié par des champs électriques ou magnétiques, contrairement aux rayons alpha et bêta. Il était donc porté par des corpuscules électriquement neutres, qui furent plus tard identifiés à des « photons ».

Exemple de radioactivité gamma
La radioactivité gamma se produit quand une désintégration ou la capture d'un neutron a laissé le noyau avec un trop plein d’énergie. Le noyau " excité " perd généralement très rapidement son excès d'énergie. Dans cette illustration, le noyau déformé et animé d’une rotation retrouve une forme sphérique et perd sa rotation en émettant une radiation gamma qui emporte l’excédent d’énergie. Les rayons gamma sont de même nature que les photons de lumière émis par les atomes, mais leurs énergies sont des centaines de milliers de fois plus grandes.
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Les rayons « gamma » sont la "lumière des noyaux". Ils sont de même nature que les rayons X ou encore que la lumière émise par les atomes. L'énergie qu'ils transportent est beaucoup plus élevée : de quelques dizaines de milliers d'électronvolts à plusieurs millions.

L'émission d'un gamma accompagne une désintégration alpha - assez rarement - ou bêta - souvent - ou encore la capture d'un neutron par un noyau. Ces événements laissent généralement le noyau dans un état excité, c'est-à-dire avec un supplément d'énergie par rapport à son état naturel que les physiciens appellent « fondamental ». Le noyau perd alors cet excès d'énergie en une ou plusieurs étapes, émettant à chaque fois un « grain d'énergie électromagnétique », un photon gamma.

Emission de gamma en cascade
La radioactivité gamma accompagne généralement les radioactivités alpha et bêta, comme dans l’exemple du Cobalt-60. Ce noyau se désintègre par radioactivité bêta en un noyau de nickel-60 stable avec une période de 5,271 ans. La transformation, accompagnée de l’émission d’un électron et d’un antineutrino, aboutit neuf cent quatre-vingt dix neuf fois sur mille à un état excité du nickel-60. Le noyau perd les 2158,80 keV de son énergie d’excitation en émettant un premier photon gamma suivi d’un second. L’émission des deux photons suit de très près celle de l’électron et de l’antineutrino (NB: l’énergie de masse de l’atome de Nickel-60 a été prise comme zéro de l’échelle d’énergie).
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La transition gamma est presque toujours immédiate. Elle peut exceptionnellement se produire avec un retard. Tel est le cas d'un état excité du technétium qui dure plusieurs heures et qui laisse le temps de l'utiliser dans les hôpitaux comme une source pure de rayons gamma.

Comme l'atome, le noyau possède des états d'énergie bien définis. Le saut d'un état d'énergie à un autre se fait en émettant un gamma d'énergie unique, caractéristique de la transition et du noyau. La mesure de l'énergie des photons gamma constitue ainsi un moyen d'identification de la nature du noyau émetteur.

Comme mode de désexcitation, l'émission d'un gamma est parfois remplacée par un processus où l'énergie est transférée à un des électrons qui circule autour du noyau et qui est alors éjecté. Ce processus est appelé "conversion interne". Dans la conversion interne, le gamma de désexcitation est absorbé par l'électron et n'apparait pas.

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