TYPES DE DÉCROISSANCE RADIOACTIVE

Phénomène de radioactivité accompagné de transformation du noyau un élément chimique dans le noyau d'un autre élément chimique, ainsi que libération d'énergie, qui est « emporté » par les rayonnements alpha, bêta et gamma.

Tous radioactifs les éléments sont soumis à des transformations radioactives.
Dans certains cas, un élément radioactif émet simultanément des rayonnements alpha et bêta.
Le plus souvent, un élément chimique présente soit un rayonnement alpha, soit un rayonnement bêta.
Le rayonnement alpha ou bêta est souvent accompagné d'un rayonnement gamma.

Émission particules radioactives appelé désintégration radioactive.
Il existe des désintégrations alpha (avec émission de particules alpha), des désintégrations bêta (avec émission de particules bêta), le terme « désintégration gamma » n'existe pas.
Les désintégrations alpha et bêta sont des transformations radioactives naturelles.

Alpha - désintégration

Les particules alpha sont émises uniquement par les noyaux lourds, c'est-à-dire contenant un grand nombre de protons et de neutrons. La force des noyaux lourds est faible. Pour quitter le noyau, un nucléon doit vaincre les forces nucléaires et pour cela, il doit disposer de suffisamment d'énergie.
Lorsque deux protons et deux neutrons se combinent en une particule alpha, les forces nucléaires dans une telle combinaison (entre les nucléons de la particule) sont les plus fortes et les liaisons avec d'autres nucléons sont plus faibles, de sorte que la particule alpha est capable de « s'échapper ». le noyau. La particule alpha émise emporte charge positive de 2 unités et une masse de 4 unités.
À la suite de la désintégration alpha, un élément radioactif se transforme en un autre élément dont le numéro atomique est inférieur de 2 unités et le nombre de masse est inférieur de 4 unités.

Le noyau qui se désintègre est appelé noyau mère et celui qui se forme est appelé noyau fille.
Le noyau fille s'avère généralement également radioactif et se désintègre après un certain temps.
Le processus de désintégration radioactive se produit jusqu'à l'apparition d'un noyau stable, le plus souvent un noyau de plomb ou de bismuth.

Désintégration bêta

Le phénomène de désintégration bêta est que les noyaux de certains éléments émettent spontanément des électrons et la particule élémentaire est très messe basse- antineutrino.
Puisqu'il n'y a pas d'électrons dans les noyaux, l'apparition de rayons bêta provenant du noyau d'un atome peut s'expliquer par la capacité des neutrons du noyau à se désintégrer en proton, en électron et en antineutrino. Le proton émergent passe dans le noyau nouvellement formé. L'électron émis par le noyau est une particule de rayonnement bêta.
Ce processus de désintégration des neutrons est typique pour les noyaux avec un grand nombre de neutrons.

À la suite de la désintégration bêta, un nouveau noyau se forme avec le même nombre de masse, mais avec une charge supérieure de un.

Gamma - désintégration - n'existe pas

En cours rayonnement radioactif les noyaux atomiques peuvent émettre des rayons gamma. Émission de rayons gamma non accompagné

désintégration du noyau atomique.
Le rayonnement gamma accompagne souvent les phénomènes de désintégration alpha ou bêta. Durant les désintégrations alpha et bêta, le noyau nouvellement formé est initialement dans un état excité et, lorsqu'il entre enétat normal

, émet alors des rayons gamma (dans la gamme de longueurs d'onde optiques ou des rayons X).
Le rayonnement radioactif étant constitué de particules alpha, de particules bêta et de quanta gamma (c'est-à-dire les noyaux d'un atome d'hélium, d'électrons et de quanta gamma), le phénomène de radioactivité s'accompagne d'une perte de masse et d'énergie du noyau, de l'atome et de la matière dans son ensemble. .

La preuve que le rayonnement radioactif transporte de l'énergie est l'expérience montrant que lorsqu'un rayonnement radioactif est absorbé, une substance s'échauffe.

Rappelez-vous le sujet « Physique atomique » pour la 9e année :
Radioactivité.
Transformations radioactives.
Composition du noyau atomique. Forces nucléaires.
Énergie de communication. Défaut de masse
Fission des noyaux d'uranium.
Réaction nucléaire en chaîne.
Réacteur nucléaire.

Réaction thermonucléaire.

Autres pages sur le thème « Physique atomique » pour les classes 10-11 :

À PROPOS DE SCIENTIFIQUES CÉLÈBRES Lorsqu'il enseignait à l'Université de Montréal, le professeur E. Rutherford s'arrêtait toujours au tableau aux mêmes endroits. Ces lieux peuvent désormais être déterminés à l'aide
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Compteur Geiger! Inscription commémorative , réalisé par Paul Dirac sur le mur de son bureau physique théorique Moscou université d'état , lit : " Lois physiques doit avoir".
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beauté mathématique E. Rutherford a déclaré : « Il y a trois étapes de reconnaissance vérité scientifique : la première c'est quand ils disent que c'est absurde, la deuxième c'est "il y a quelque chose là-dedans"..." et la troisième c'est "».
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c'est de notoriété publique A l'automne 1913, la Conférence Solvay à l'International institut physique . Y ont participé environ 30 scientifiques éminents, dont Einstein, Lindemann, Rubens, Langevin, Rutherford et bien d'autres. La seule femme Maria Sklodowska-Curie.

Le phénomène de radioactivité s'accompagne de la transformation du noyau d'un élément chimique en noyau d'un autre élément chimique, ainsi que de la libération d'énergie, qui est « emportée » par les rayonnements alpha, bêta et gamma.

Tous éléments radioactifs soumis à des transformations radioactives.
Dans certains cas, un élément radioactif émet simultanément des rayonnements alpha et bêta.
Le plus souvent, un élément chimique présente soit un rayonnement alpha, soit un rayonnement bêta.
Le rayonnement alpha ou bêta est souvent accompagné d'un rayonnement gamma.

L'émission de particules radioactives est appelée désintégration radioactive.
Il existe des désintégrations alpha (avec émission de particules alpha), des désintégrations bêta (avec émission de particules bêta), le terme « désintégration gamma » n'existe pas.
Les désintégrations alpha et bêta sont des transformations radioactives naturelles.

Alpha - désintégration

Les particules alpha sont émises uniquement par les noyaux lourds, c'est-à-dire contenant un grand nombre de protons et de neutrons. La force des noyaux lourds est faible. Pour quitter le noyau, un nucléon doit vaincre les forces nucléaires et pour cela, il doit disposer de suffisamment d'énergie.
Lorsque deux protons et deux neutrons se combinent en une particule alpha, les forces nucléaires dans une telle combinaison (entre les nucléons de la particule) sont les plus fortes et les liaisons avec d'autres nucléons sont plus faibles, de sorte que la particule alpha est capable de « s'échapper ». le noyau. La particule alpha émise emporte une charge positive de 2 unités et une masse de 4 unités.
À la suite de la désintégration alpha, un élément radioactif se transforme en un autre élément dont le numéro atomique est inférieur de 2 unités et le nombre de masse est inférieur de 4 unités.

Le noyau qui se désintègre est appelé noyau mère et celui qui se forme est appelé noyau fille.
Le noyau fille s'avère généralement également radioactif et se désintègre après un certain temps.
Le processus de désintégration radioactive se produit jusqu'à l'apparition d'un noyau stable, le plus souvent un noyau de plomb ou de bismuth.

Désintégration bêta

Le phénomène de désintégration bêta est que les noyaux de certains éléments émettent spontanément des électrons et une particule élémentaire de très faible masse - un antineutrino.
Puisqu'il n'y a pas d'électrons dans les noyaux, l'apparition de rayons bêta provenant du noyau d'un atome peut s'expliquer par la capacité des neutrons du noyau à se désintégrer en proton, en électron et en antineutrino. Le proton émergent passe dans le noyau nouvellement formé. L'électron émis par le noyau est une particule de rayonnement bêta.
Ce processus de désintégration des neutrons est typique des noyaux contenant un grand nombre de neutrons.

À la suite de la désintégration bêta, un nouveau noyau se forme avec le même nombre de masse, mais avec une charge supérieure de un.

Gamma - désintégration - n'existe pas

Au cours du processus de rayonnement radioactif, les noyaux atomiques peuvent émettre des rayons gamma. L'émission de rayons gamma ne s'accompagne pas de désintégration du noyau atomique.

Le rayonnement gamma accompagne souvent les phénomènes de désintégration alpha ou bêta.
Au cours des désintégrations alpha et bêta, le noyau nouvellement formé est initialement dans un état excité et, lorsqu'il passe à un état normal, il émet des quanta gamma (dans la gamme de longueurs d'onde optiques ou des rayons X).

, émet alors des rayons gamma (dans la gamme de longueurs d'onde optiques ou des rayons X).
La preuve que le rayonnement radioactif transporte de l'énergie est l'expérience montrant que lorsqu'un rayonnement radioactif est absorbé, une substance s'échauffe.

33. Types de désintégration bêta.

Le phénomène de désintégration β est que le noyau (A,Z) émet spontanément des leptons de 1ère génération - un électron (positon) et un neutrino électronique (antineutrino électronique), passant dans un noyau de même numéro de masse A, mais avec numéro atomique Z , un de plus ou de moins. En capture électronique, le noyau absorbe l'un des électrons coquille atomique(généralement à partir de la coque K la plus proche), émettant des neutrinos Dans la littérature, le terme EC (Electron Capture) est souvent utilisé pour la capture électronique.
Il existe trois types de désintégration β - β - -désintégration, β + -désintégration et e-capture.

• 1 Théorie
• 2 Histoire de la découverte
• 3 Loi de la désintégration radioactive
• 4 types de particules émises lors de la désintégration radioactive
• 5 Désintégration alpha
• 6 Désintégration bêta
  • 6.1 Désintégration bêta moins
  • 6.2 Désintégration des positrons et capture d'électrons
  • 6.3 Double désintégration bêta
  • 6.4 Propriétés générales désintégration bêta
• 7 Désintégration gamma (transition isomérique)
• 8 Types spéciaux radioactivité
• 9 Voir aussi
• 10 remarques
• 11 Littérature

Théorie

Il a été établi que tous les éléments chimiques ayant numéro de série, supérieur à 82 (c'est-à-dire à partir du bismuth), et certains éléments plus légers (le prométhium et le technétium n'ont pas isotopes stables, et certains éléments, comme l'indium, le potassium, le rubidium ou le calcium, n'ont que isotopes naturels stables, d'autres sont radioactifs).

La radioactivité naturelle est la désintégration spontanée des noyaux atomiques présents dans la nature.

La radioactivité artificielle est la désintégration spontanée des noyaux atomiques obtenus artificiellement grâce à des réactions nucléaires appropriées.

Le noyau subissant une désintégration radioactive et le noyau résultant de cette désintégration sont appelés respectivement noyaux mère et fille. La modification du nombre de masse et de la charge du noyau fille par rapport au noyau parent est décrite par la règle de déplacement de Soddy.

La désintégration accompagnée de l'émission de particules alpha était appelée désintégration alpha ; la désintégration accompagnée de l'émission de particules bêta était appelée désintégration bêta (on sait maintenant qu'il existe des types de désintégration bêta sans émission de particules bêta, mais la désintégration bêta s'accompagne toujours de l'émission de neutrinos ou d'antineutrinos). Le terme « désintégration gamma » est rarement utilisé ; L'émission de rayons gamma par un noyau est généralement appelée transition isomérique. Le rayonnement gamma accompagne souvent d'autres types de désintégration lorsque, à la suite de la première étape de la désintégration, un noyau fille apparaît dans un état excité, qui subit ensuite une transition vers l'état fondamental avec l'émission de rayons gamma.

Les spectres énergétiques des particules α et des quanta γ émis par les noyaux radioactifs sont intermittents (« discrets ») et le spectre des particules β est continu.

À l'heure actuelle, en plus des désintégrations alpha, bêta et gamma, des désintégrations avec émission d'un neutron, d'un proton (ainsi que de deux protons), d'une radioactivité en grappe et d'une fission spontanée ont été découvertes. La capture d'électrons, la désintégration des positons (ou désintégration β+) et la double désintégration bêta (et ses espèces) sont généralement considérées comme différents types de désintégration bêta.

Certains isotopes peuvent subir simultanément deux ou plusieurs modes de désintégration. Par exemple, le bismuth-212 se désintègre avec une probabilité de 64 % en thallium-208 (via la désintégration alpha) et avec une probabilité de 36 % en polonium-212 (via la désintégration bêta).

Le noyau fille formé à la suite d'une désintégration radioactive s'avère parfois également radioactif et se désintègre également après un certain temps. Le processus de désintégration radioactive se poursuivra jusqu'à ce qu'un noyau stable, c'est-à-dire non radioactif, apparaisse. La séquence de telles désintégrations est appelée chaîne de désintégration et la séquence de nucléides qui en résulte est appelée série radioactive. En particulier, pour les séries radioactives commençant par l'uranium 238, l'uranium 235 et le thorium 232, les nucléides finaux (stables) sont respectivement le plomb 206, le plomb 207 et le plomb 208.

Les noyaux ayant le même numéro de masse A (isobares) peuvent se transformer les uns dans les autres par désintégration bêta. Chaque chaîne isobare contient de 1 à 3 nucléides bêta-stables (ils ne peuvent pas subir de désintégration bêta, mais ne sont pas nécessairement stables par rapport à d'autres types de désintégration radioactive). Les noyaux restants de la chaîne isobare sont bêta instables ; par désintégrations bêta-moins ou bêta-plus successives, ils se transforment en nucléide bêta-stable le plus proche. Les noyaux situés dans une chaîne isobare entre deux nucléides bêta-stables peuvent subir à la fois une désintégration β− et β+ (ou capture d'électrons). Par exemple, le radionucléide naturel potassium-40 est capable de se désintégrer en noyaux bêta-stables adjacents, argon-40 et calcium-40 :

Histoire de la découverte

La radioactivité a été découverte en 1896 par le physicien français A. Becquerel. Il a étudié le lien entre la luminescence et les rayons X récemment découverts.

Becquerel a eu une idée : toute luminescence n’est-elle pas accompagnée de rayons X ? Pour tester sa supposition, il a pris plusieurs composés, dont l'un des sels d'uranium, qui phosphorescent avec une lumière jaune-verte. L'éclairer soleil, il a enveloppé le sel dans du papier noir et l'a placé dans un placard sombre sur une plaque photographique, également enveloppée dans du papier noir. Après un certain temps, en développant l'assiette, Becquerel a réellement vu l'image d'un morceau de sel. Mais le rayonnement luminescent ne pouvait pas traverser le papier noir, et seulement radiographies pourrait exposer le dossier dans ces conditions. Becquerel répéta l'expérience plusieurs fois et avec le même succès.

24 février 1896 lors d'une réunion Académie française Sciences, il fit un rapport « Sur le rayonnement produit par la phosphorescence ». Mais après quelques jours, des ajustements ont dû être apportés à l'interprétation des résultats obtenus. Les 26 et 27 février, une autre expérience avec changements mineurs, mais en raison du temps nuageux, l'événement a été reporté. Sans attendre le beau temps, le 1er mars, Becquerel met au point une plaque sur laquelle repose du sel d'uranium, qui n'a pas été irradié par le soleil. Naturellement, il n'était pas phosphorescent, mais il y avait une empreinte sur la plaque. Le 2 mars déjà, Becquerel rendait compte de cette découverte lors d'une réunion de l'Académie des sciences de Paris, intitulée son ouvrage "Sur le rayonnement invisible produit par les corps phosphorescents".

Par la suite, Becquerel a testé d'autres composés et minéraux d'uranium (y compris ceux qui ne présentaient pas de phosphorescence), ainsi que de l'uranium métallique. Le disque était invariablement surexposé. En plaçant une croix métallique entre le sel et l'assiette, Becquerel a obtenu de légers contours de la croix sur l'assiette. Ensuite, il est devenu clair que de nouveaux rayons avaient été découverts, qui traversaient des objets opaques, mais n'étaient pas des rayons X.

Becquerel a établi que l'intensité du rayonnement est déterminée uniquement par la quantité d'uranium contenue dans la préparation et est totalement indépendante des composés dans lesquels il est inclus. Ainsi, cette propriété n’était pas inhérente aux composés, mais à l’élément chimique uranium.

Becquerel partage sa découverte avec les scientifiques avec lesquels il a collaboré. 1898 Marie Curie et Pierre Curie découvrent la radioactivité du thorium, puis découvrent les éléments radioactifs polonium et radium.

Ils ont constaté que la propriété radioactivité naturelle tous les composés de l'uranium possèdent et dans la plupart dans une plus grande mesure l'uranium lui-même. Becquerel revient sur les phosphores qui l'intéressent. Certes, il a fait une autre découverte majeure liée à la radioactivité. Un jour, pour une conférence publique, Becquerel eut besoin substance radioactive, il l'a pris aux Curie et a mis l'éprouvette dans la poche de son gilet. Après avoir donné une conférence, il a restitué le médicament radioactif aux propriétaires et, le lendemain, il a découvert une rougeur de la peau en forme de tube à essai sur son corps, sous la poche de sa veste. Becquerel en a parlé à Pierre Curie, et il a expérimenté sur lui-même : il a porté pendant dix heures une éprouvette de radium attachée à son avant-bras. Quelques jours plus tard, il a également développé une rougeur, qui s'est ensuite transformée en un grave ulcère dont il a souffert pendant deux mois. C'était la première fois qu'il était ouvert effet biologique radioactivité.

Mais même après cela, les Curie ont courageusement fait leur travail. Qu'il suffise de dire que Marie Curie est décédée du mal des radiations (elle a cependant vécu jusqu'à 66 ans).

En 1955, ils furent examinés cahiers Marie Curie. Ils rayonnent toujours, merci contamination radioactive saisis au moment de les remplir. L'une des feuilles porte l'empreinte radioactive de Pierre Curie.

Loi de la désintégration radioactive

Loi de la désintégration radioactive- une loi découverte expérimentalement par Frederick Soddy et Ernest Rutherford et formulée en 1903. Formulation moderne loi:

ce qui signifie que le nombre de désintégrations sur un intervalle de temps t dans une substance arbitraire est proportionnel au nombre N d'atomes radioactifs d'un type donné présents dans l'échantillon.

Dans ce expression mathématiqueλ est la constante de désintégration, qui caractérise la probabilité de désintégration radioactive par unité de temps et a une dimension de s−1. Le signe moins indique une diminution du nombre de noyaux radioactifs au fil du temps. La loi exprime l'indépendance de la désintégration des noyaux radioactifs les uns par rapport aux autres et au temps : la probabilité de désintégration d'un noyau donné dans chaque unité de temps ultérieure ne dépend pas du temps qui s'est écoulé depuis le début de l'expérience et de le nombre de noyaux restant dans l'échantillon.

Cette loi est considérée comme la loi fondamentale de la radioactivité, et plusieurs en ont été extraites. conséquences importantes, parmi lesquels se trouvent des formulations de caractéristiques de désintégration - la durée de vie moyenne d'un atome et sa demi-vie.

La constante de désintégration d'un noyau radioactif est dans la plupart des cas pratiquement indépendante des conditions environnementales (température, pression, composition chimique de la substance, etc.). Par exemple, le tritium T2 solide à quelques kelvins se désintègre au même rythme que le tritium gazeux à température ambiante ou à des milliers de kelvins ; le tritium dans la molécule T2 se décompose au même rythme que dans la valine tritiée. De faibles changements dans la constante de désintégration dans les conditions de laboratoire n'ont été trouvés que pour la capture d'électrons - les températures et les pressions disponibles en laboratoire, ainsi que les changements dans la composition chimique, peuvent légèrement modifier la densité du nuage d'électrons entourant le noyau, ce qui conduit à une modification du taux de désintégration d’une fraction de pour cent. Cependant, dans des conditions assez sévères (forte ionisation de l'atome, forte densité électronique, fort potentiel chimique des neutrinos, forts champs magnétiques), difficiles à réaliser en laboratoire, mais réalisées, par exemple, dans les noyaux des étoiles, d'autres types de les désintégrations peuvent également modifier leur probabilité.

La constance de la constante de désintégration radioactive permet de mesurer l'âge de divers objets naturels et artificiels par la désintégration de leurs noyaux radioactifs constitutifs et l'accumulation de produits de désintégration. Plusieurs méthodes ont été développées datation radio-isotopique, permettant de mesurer l'âge des objets allant de l'unité à des milliards d'années ; Parmi elles, les plus connues sont la méthode au radiocarbone, la méthode uranium-plomb, la méthode uranium-hélium, la méthode potassium-argon, etc.

Types de particules émises lors de la désintégration radioactive

E. Rutherford a établi expérimentalement (1899) que les sels d'uranium émettent des rayons trois types, qui dévient différemment dans un champ magnétique :

• les rayons du premier type sont déviés de la même manière qu'un flux de particules chargées positivement ; on les appelait rayons α ;
• les rayons du deuxième type sont généralement déviés dans un champ magnétique de la même manière qu'un flux de particules chargées négativement, ils étaient appelés rayons β (il existe cependant des rayons bêta de positons qui sont déviés dans la direction opposée) ;
• les rayons du troisième type, qui ne sont pas déviés par un champ magnétique, étaient appelés rayonnement γ.

Bien que la recherche ait découvert d'autres types de particules émises lors de la désintégration radioactive, les noms répertoriés ont été conservés jusqu'à ce jour car les types de désintégration correspondants sont les plus courants.

Lorsqu’un noyau en décomposition interagit avec une couche électronique, des particules peuvent être émises ( photons à rayons X, électrons Auger, électrons de conversion) de la couche électronique. Les deux premiers types de rayonnement apparaissent lorsqu'une lacune apparaît dans la couche électronique (en particulier lors de la capture d'électrons et lors d'une transition isomérique avec émission d'un électron de conversion) et le remplissage en cascade ultérieur de cette lacune. Un électron de conversion est émis lors d'une transition isomérique avec conversion interne, lorsque l'énergie libérée lors de la transition entre les niveaux nucléaires n'est pas emportée par un quantum gamma, mais est transférée à l'un des électrons de la coquille.

Lors de la fission spontanée, un noyau se désintègre en deux (moins souvent trois) noyaux relativement légers - les soi-disant fragments de fission - et plusieurs neutrons. Pendant la dégradation du cluster (qui est processus intermédiaire entre fission et désintégration alpha), le noyau parent lourd émet un noyau relativement léger (14C, 16O, etc.).

Pendant la désintégration des protons (deux protons) et des neutrons, le noyau émet respectivement des protons et des neutrons.

Dans tous les types de désintégration bêta (à l'exception de la désintégration sans neutrinos prévue, mais pas encore découverte), un neutrino ou un antineutrino est émis par le noyau.

Désintégration alpha

La désintégration alpha est une désintégration spontanée noyau atomique en un noyau fille et une particule α (le noyau de l'atome 4He).

La désintégration alpha se produit généralement dans les noyaux lourds ayant un nombre de masse A ≥ 140 (à quelques exceptions près). À l'intérieur des noyaux lourds en raison de la propriété de saturation forces nucléaires Des particules α isolées se forment, constituées de deux protons et de deux neutrons. La particule α résultante est soumise à plus d'action Forces de répulsion coulombiennes des protons nucléaires par rapport aux protons individuels. Dans le même temps, la particule alpha éprouve moins d'attraction nucléaire vers les nucléons du noyau que les autres nucléons. La particule alpha résultante à la limite du noyau est réfléchie depuis la barrière de potentiel vers l'intérieur, mais avec une certaine probabilité, elle peut la surmonter (voir effet tunnel) et s'envoler. À mesure que l'énergie de la particule alpha diminue, la perméabilité de la barrière de potentiel diminue très rapidement (de façon exponentielle), donc la durée de vie des noyaux avec moins d'énergie de désintégration alpha disponible, dans d'autres conditions, conditions égales plus.

Règle de déplacement de Soddy pour la désintégration α :

Exemple (désintégration alpha de l'uranium-238 en thorium-234) :

À la suite de la désintégration α, l'atome se déplace de 2 cellules vers le début du tableau périodique (c'est-à-dire que la charge du noyau Z diminue de 2), le nombre de masse du noyau fille diminue de 4.

Désintégration bêta

Désintégration bêta moins

Becquerel a prouvé que les rayons β sont un flux d'électrons. La désintégration bêta est une manifestation de l’interaction faible.

La désintégration bêta (plus précisément, la désintégration bêta moins, la désintégration β−) est une désintégration radioactive accompagnée de l'émission d'un électron et d'un antineutrino électronique du noyau.

Diagramme de Feynman de la désintégration bêta moins : un quark d dans l'un des neutrons du noyau devient un quark u, émettant un boson W virtuel, qui se désintègre en un électron et un antineutrino électronique.

La désintégration bêta est un processus intranucléon. La désintégration bêta-moins se produit en raison de la transformation de l'un des quarks d de l'un des neutrons du noyau en quark u ; dans ce cas, un neutron se transforme en proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino :

Les neutrons libres subissent également une désintégration β−, se transformant en proton, électron et antineutrino (voir Désintégration bêta des neutrons).

Règle de déplacement de Soddy pour la désintégration β− :

Exemple (désintégration bêta du tritium en hélium-3) :

Après la désintégration β−, l'élément se déplace d'une cellule jusqu'à la fin du tableau périodique (la charge du noyau augmente de un), tandis que le nombre de masse du noyau ne change pas.

Désintégration des positons et capture d'électrons

Il existe également d’autres types de désintégration bêta. Lors de la désintégration du positon (désintégration bêta-plus), le noyau émet un positron et un neutrino électronique. Lors de la désintégration β+, la charge du noyau diminue de un (le noyau déplace une cellule au début du tableau périodique), c'est-à-dire qu'un des protons du noyau se transforme en neutron, émettant un positron et un neutrino ( au niveau des quarks, ce processus peut être décrit comme la transformation d'un des quarks u d'un des protons du noyau en quark d ; il convient de noter qu'un proton libre ne peut pas se désintégrer en neutron, c'est-à-dire interdit par la loi de conservation de l'énergie, puisque le neutron est plus lourd que le proton ; cependant, un tel processus est possible dans le noyau si la différence de masse entre l'atome parent et l'atome fille est positive). La désintégration des positons s'accompagne toujours d'un processus concurrent : la capture d'électrons ; dans ce processus, le noyau capture un électron de la coquille atomique et émet un neutrino, tandis que la charge du noyau diminue également de un. Cependant, l’inverse n’est pas vrai : pour de nombreux nucléides qui subissent une capture d’électrons (capture ε), la désintégration des positons est interdite par la loi de conservation de l’énergie. selon laquelle des couches électroniques de l'atome (K, L, M, ...) l'électron est capturé lors de la capture ε, le processus est désigné par K-capture, L-capture, M-capture, ... ; tous, en présence de couches appropriées et d'une énergie de désintégration suffisante, entrent généralement en compétition, mais la capture K est la plus probable, car la concentration d'électrons dans la couche K proche du noyau est plus élevée que dans les couches plus éloignées. Après la capture d'un électron, la lacune résultante dans la couche électronique est comblée par la transition d'un électron d'une couche supérieure ; ce processus peut être en cascade (après la transition, la lacune ne disparaît pas, mais est déplacée vers une couche supérieure ; ), et l'énergie est transportée par des photons de rayons X et/ou des électrons Auger à partir d'un spectre d'énergie discret.

Règle de déplacement de Soddy pour la désintégration β+ et la capture d'électrons :

Exemple (ε-capture du béryllium-7 en lithium-7) :

Après la désintégration du positon et la capture ε, l'élément se déplace d'une cellule vers le début du tableau périodique (la charge du noyau diminue d'une unité), tandis que le nombre de masse du noyau ne change pas.

Double désintégration bêta

Le plus rare de tous types connus La désintégration radioactive est une double désintégration bêta, elle n'a été découverte à ce jour que pour onze nucléides et la demi-vie de chacun d'entre eux dépasse 1019 ans. Une double désintégration bêta, selon le nucléide, peut se produire :

• avec une augmentation de la charge nucléaire de 2 (dans ce cas, deux électrons et deux antineutrinos sont émis, désintégration 2β−)
• avec une diminution de la charge nucléaire de 2, tandis que deux neutrinos sont émis et
  • deux positons (désintégration à deux positrons, désintégration 2β+)
  • l'émission d'un positron s'accompagne de la capture d'un électron de la coquille (conversion électron-positon, ou désintégration εβ+)
  • deux électrons sont capturés (double capture d'électrons, capture 2ε).

La double désintégration bêta sans neutrinos a été prédite, mais pas encore découverte.

Propriétés générales de la désintégration bêta

Tous les types de désintégration bêta préservent le nombre de masse du noyau, car dans toute désintégration bêta, le nombre total de nucléons dans le noyau ne change pas, seuls un ou deux neutrons se transforment en protons (ou vice versa).

Désintégration gamma (transition isomérique)

Presque tous les noyaux ont, en plus de l'état quantique fondamental, un ensemble discret d'états excités avec une énergie plus élevée (les exceptions sont les noyaux 1H, 2H, 3H et 3He). Les états excités peuvent être peuplés lors de réactions nucléaires ou de la désintégration radioactive d’autres noyaux. La plupart des états excités ont des durées de vie très courtes (moins d’une nanoseconde). Cependant, il existe également des états à durée de vie assez longue (dont la durée de vie se mesure en microsecondes, jours ou années), appelés isomères, bien que la frontière entre eux et les états à durée de vie courte soit très arbitraire. En règle générale, les états isomères des noyaux se désintègrent jusqu'à l'état fondamental (parfois en passant par plusieurs états intermédiaires). Dans ce cas, un ou plusieurs quanta gamma sont émis ; l'excitation du noyau peut également être supprimée grâce à l'émission d'électrons de conversion depuis la coque atomique. Les états isomères peuvent également se désintégrer par des désintégrations bêta et alpha ordinaires.

Types particuliers de radioactivité

• Fission spontanée
• Radioactivité en grappe
• Désintégration du proton
• Radioactivité à deux protons
• Radioactivité neutronique

Voir aussi

• Unités de mesure de la radioactivité
• Equivalent banane

Remarques

1. Encyclopédie physique/Ch. éd. A.M. Prokhorov. - M. : Encyclopédie soviétique, 1994. - T. 4. Poynting - Robertson - Streamers. - P. 210. - 704 p. - 40 000 exemplaires. -ISBN5-85270-087-8.
2. Manolov K., Tyutyunnik V. Biographie de l'atome. Atome - de Cambridge à Hiroshima. - Voie redessinée du bulgare.. - M. : Mir, 1984. - P. 20-21. - 246 p.
3. A.N. Klimov. Physique nucléaire et réacteurs nucléaires. - Moscou : Energoatomizdat, 1985. - P. 352.
4. Bartolomey G.G., Baibakov V.D., Alkhutov M.S., Bat G.A. Fondements théoriques et méthodes de calcul des réacteurs nucléaires. - Moscou : Energoatomizdat, 1982.
5. I. R. Cameron, Université du Nouveau-Brunswick. Réacteurs à fission nucléaire. - Canada, Nouveau-Brunswick : Plenum Press, 1982.
6. I. Cameron. Réacteurs nucléaires. - Moscou : Energoatomizdat, 1987. - P. 320.

Littérature

• Sivukhin D.V. Cours général physique. - 3ème édition, stéréotypée. - M. : Fizmatlit, 2002. - T. V. Atomic et physique nucléaire. - 784 p. -ISBN5-9221-0230-3.

désintégration radioactive de l'Empire ottoman, désintégration radioactive de l'Empire romain, désintégration radioactive de l'URSS, désintégration radioactive de la Yougoslavie

Un nucléide est stable vis-à-vis de la désintégration radioactive si sa masse est inférieure à la somme des masses de tous les produits formés lors de la désintégration attendue. Par conséquent, la désintégration radioactive n'est possible que si la somme des masses des produits résultants est inférieure à la masse du nucléide d'origine. Désintégration radioactive V vue générale peut être représenté comme suit :

A (nucléide mère) = B (nucléide fille) + X (particules émises) + Q (énergie)

Par énergie, nous entendons l’énergie cinétique des particules émises et les g-quanta. L'énergie totale Q libérée lors de la désintégration radioactive est déterminée par la différence entre les masses du nucléide initial et les produits formés après la désintégration à l'état fondamental :

Q=dmc 2 =(mA-mB-mX)c 2.

Dans tous les cas de désintégration radioactive, les lois de conservation de la masse et de la charge sont respectées.

En fonction du type de particules émises, on distingue les types de désintégration radioactive suivants :

1) une-désintégration ;

2) la désintégration b, qui est divisée en désintégration b, désintégration b+ et capture d'électrons (EC) ;

3) émission de 7 quanta, d'électrons de conversion et d'électrons Auger ;

4) division spontanée.

Désintégration alpha. Les noyaux de nombreux isotopes d'éléments (lourds) - uranium, radium, thorium, etc. sont sujets à la désintégration alpha. La possibilité d'une désintégration α est due au fait que la masse (et donc l'énergie restante) du radioactif α. Le noyau est supérieur à la somme des masses (énergie totale au repos) des particules α et forme un noyau fille après la désintégration α. L'excès d'énergie du noyau d'origine (mère) est libéré sous forme d'énergie cinétique de la particule α et du noyau fille. L'énergie cinétique des particules α pour la plupart des noyaux radioactifs α se situe dans la petite plage de 4 à 9 MeV. Les demi-vies, au contraire, varient considérablement : de 10-7 secondes à 2∙1017 ans.

Désintégration bêta. Au cours du processus de désintégration β, un électron (désintégration β électronique) ou un positron (désintégration β du positron) est spontanément émis par un noyau radioactif, qui apparaît au moment même de la désintégration β (ils ne sont pas dans le noyau ). Le troisième type de désintégration β est la capture d'un électron par un noyau à partir de la couche électronique de son atome (e-capture). En tout trois cas La désintégration β s'accompagne de l'émission de neutrinos ou d'antineutrinos. À la suite de la désintégration β, la charge nucléaire augmente, la désintégration β+ et la capture électronique diminuent de un. Le nombre de masse du noyau reste inchangé.

Désintégration électronique tester les noyaux avec un excès de neutrons. Presque tous les éléments radioactifs artificiels et certains éléments radioactifs naturels (C12, K40, etc.) sont sensibles à ce type de désintégration.

Lors de la désintégration électronique, le noyau fille nouvellement formé conserve le nombre de masse de l'élément d'origine et la charge positive du nouveau noyau résultant de la transformation d'un neutron en proton s'avère être une unité supérieure à la charge du noyau de l’élément originel.

Lors de la désintégration électronique, les radionucléides parents et filles sont des isobares, puisque la somme des protons et des neutrons ne change pas.

Désintégration des positons tester les noyaux avec un excès de protons. Seuls certains isotopes radioactifs artificiels sont sensibles à ce type de désintégration, par exemple le 6C11, dont le noyau contient 6 protons avec 5 neutrons. La désintégration des positons n'est pas observée dans les isotopes radioactifs naturels.

Capture électronique. Les isotopes radioactifs éliminent les protons en excès grâce à la capture d'électrons, qui se produit lorsqu'il n'y a pas assez d'énergie dans le noyau pour la désintégration des positons. Un tel noyau capture généralement les électrons (e-capture) de la couche la plus proche (couche K, parfois couche L) et le proton « supplémentaire », se combinant avec cet électron, se transforme en neutron, émettant un neutrino. Par conséquent, la capture électronique est un processus directement opposé à la dégradation électronique. DANS dans ce cas l'élément fille, tout comme lors de la désintégration du positon, est décalé dans le tableau périodique d'une cellule vers la gauche de celle d'origine. Un électron saute de la couche L à la place vacante de la couche K, à la dernière place de la couche M, etc. Chaque saut est associé à la libération d'énergie, qui est émise avec des quanta de rayons X.

Rayons gamma représentent un flux de quanta γ, c'est-à-dire rayonnement électromagnétique à ondes courtes émis par les noyaux atomiques excités.

Au cours du processus de rayonnement γ, le noyau passe spontanément d’un état excité à un état moins excité ou fondamental. Dans ce cas, l'excès d'énergie est libéré sous la forme d'un quantum à ondes courtes rayonnement électromagnétique− quanta γ. Les quanta γ n'ont pas de charge et ne sont donc pas déviés par un champ électrique ou magnétique. Ils se propagent directement et uniformément dans toutes les directions à partir de la source.

Dans la plupart des cas, les sources γ émettent des quanta γ d'énergies différentes, c'est-à-dire ils sont monoénergétiques. Les nucléides dans un état excité peuvent se désintégrer en émettant des neutrons ou des protons.

Les radionucléides subissent une désintégration spontanée et deviennent des sources de rayonnement d'un certain type et d'une certaine énergie strictement définie pour chaque atome. Il existe plusieurs principaux types de désintégration radioactive et les types de rayonnement correspondants.

1) Le rayonnement alpha (a) est un flux de noyaux d'atomes d'hélium (deux protons + deux neutrons). Cela se produit à la suite de la désintégration alpha, caractéristique des isotopes radioactifs ayant un numéro atomique élevé. L'émission d'une particule a conduit à la formation d'un nouvel élément chimique, dans lequel la charge nucléaire est inférieure de deux unités et le nombre de masse est inférieur de quatre unités.

2) Le rayonnement bêta (b) est un flux d’électrons ou de positons. Il résulte de la désintégration bêta du noyau atomique. S'il y a un excès de neutrons dans le noyau, alors l'un d'entre eux se désintègre pour former un proton qui reste dans le noyau, un électron qui est émis sous forme de rayonnement bêta et un antineutrino qui n'a ni masse ni charge. , mais emporte une partie de l'énergie du noyau. Les antineutrinos sont très difficiles à détecter car ils n'interagissent pratiquement pas avec la matière.

Positron- l'antiparticule d'un électron se forme lors de la désintégration d'un noyau avec un excès de protons. Ce type de désintégration est beaucoup moins courant que la désintégration B.

3) Le rayonnement gamma (g) est un flux de photons ou de quanta de rayonnement électromagnétique. S'il y a un excès d'énergie dans le noyau, par exemple après une désintégration a ou b, la transition du noyau d'un état excité à un état stable peut se produire par une transition isomère gamma, c'est-à-dire avec l'émission de rayons gamma. Dans ce cas, le numéro atomique de l'élément et le numéro de masse de l'isotope restent les mêmes, seul le état énergétique graines.

Avec le concept " rayonnement ionisant« Le terme « rayonnement » est utilisé. Ces concepts ont la même signification et sont synonymes.

L'énergie de rayonnement libérée lors de la désintégration radioactive du noyau d'un atome est incommensurablement supérieure à l'énergie des réactions chimiques ordinaires qui se produisent lors des interactions entre les électrons orbitaux des atomes. L'unité de mesure de l'énergie de changement nucléaire est l'électron-volt (eV). 1 eV = 1,6 × 10-19 J.

11) Antioxydants. Programme de nettoyage du corps des radionucléides. Produits alimentaires compétitifs qui empêchent l'accumulation de 137 Cs et de 90 Sr.

Antioxydants(antioxydants, conservateurs) - inhibiteurs d'oxydation, substances naturelles ou synthétiques pouvant ralentir l'oxydation.

Les antioxydants les plus connus sont l'acide ascorbique (vitamine C), le tocophérol (vitamine E), le ß-carotène (provitamine A) et le lycopène (dans les tomates). Ceux-ci comprennent également des polyphénols : flavines et flavonoïdes (souvent présents dans les légumes), tanins (dans le cacao, le café, le thé), anthocyanes (dans les fruits rouges).

Conférence 5. Désintégration radioactive. Modèles généraux

5.1. L'essence du phénomène de radioactivité. La découverte et l'étude du phénomène de désintégration radioactive ont été la première étape vers la compréhension de la structure du noyau et des propriétés des particules élémentaires. La recherche dans ce domaine s'est développée à un rythme croissant depuis fin XIX siècle et se poursuit actuellement.

En 1896, Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium (92 U). Un peu plus tard, on a découvert que les composés du thorium (90 Th) étaient également radioactifs. En 1898, Pierre Curie et Marie Skłodowska-Curie isolent minerai d'uranium le radium (88 Ra) et le polonium (84 Po), dont la radioactivité s'est avérée des millions de fois plus forte que la radioactivité de l'uranium et du thorium. Cependant, la nature de la radioactivité n'est devenue claire qu'après que Rutherford et Soddy ont montré que la radioactivité des éléments s'accompagne de leur transformation en d'autres éléments chimiques (ainsi le postulat de l'immuabilité des atomes a été réfuté).

Le phénomène de radioactivité consiste en la désintégration spontanée d'un noyau avec émission d'une ou plusieurs particules. À la suite de la désintégration, le noyau peut changer de charge Z, et le nombre de masse UN. Les noyaux qui subissent une désintégration spontanée sont appelés radioactif, et ne pas expérimenter - écurie. Cependant, une telle division est en grande partie arbitraire et, dans la pratique, sont considérés comme radioactifs les noyaux dont la désintégration peut être enregistrée sur à l'heure actuelle par des méthodes physiques.

La durée de vie des radionucléides couvre des intervalles de temps allant d'arbitrairement grands à sensiblement dépassant temps nucléaire τ je= 10 à 22 secondes. On pense qu'un changement dans la composition du noyau dû à la désintégration radioactive ne devrait pas se produire avant 10 à 12 s après sa naissance : pendant ce temps (très long à l'échelle nucléaire), tous les processus intranucléaires ont lieu et le noyau a le temps de se former complètement. Si la durée de vie moyenne d’un noyau est inférieure à 10 à 12 s, la désintégration n’est plus considérée comme radioactive. Ainsi, lors de réactions nucléaires, des agrégats de nucléons de courte durée se forment, qui sont fortement excités et se désintègrent si rapidement qu'ils ne peuvent pas être considérés comme des noyaux atomiques formés.

La désintégration radioactive est caractérisée par la vitesse de son apparition, le type de particules émises et leur énergie, et lorsque plusieurs particules s'échappent du noyau, également par les angles relatifs entre les directions d'émission des particules. On distingue les principaux types de désintégration radioactive suivants : 1) α- pourriture; 2) β- pourriture; 3) γ- pourriture; 4) fission spontanée. Il existe d’autres types de carie qui sont assez rarement observés.

Lors de la désintégration α, le noyau émet une particule α () :

.

Un nouveau noyau est formé, dont le nombre de masse est inférieur de 4 unités à celui d'origine et la charge est de 2 unités, c'est-à-dire Δ UN= –4, Δ Z= –2.

Pendant la désintégration β, l'une des trois choses suivantes est possible processus suivants:

a) émission d'électrons et d'antineutrinos (β – - pourriture)

;

b) émission de positrons et de neutrinos (β + - pourriture)

;

c) capture d'un électron orbital et émission de neutrinos ( capture électronique)

.

Ainsi, dans les processus de désintégration β UN= 0, et Δ Z= ±1 (le signe « + » correspond à la désintégration β – et le signe « – » à la désintégration β + et à la capture électronique).

Une transition isomérique est l'émission d'un photon de haute énergie (γ- quantum):

Dans ce cas, la charge et le nombre de masse du noyau ne changent pas, seul son état énergétique change.

Le résultat fission spontanée est la formation de deux fragments comparables en masse et l'émission de plusieurs (deux ou trois) neutrons :

Une condition nécessaire (mais pas toujours suffisante) à la désintégration radioactive est le bénéfice énergétique : la masse de la matière en décomposition ( maternel) du noyau doit dépasser la somme des masses des ( filiale) noyau et particules émises :

.

Il s'ensuit que la désintégration radioactive est un processus exothermique, c'est-à-dire vient avec la libération d’énergie

Énergie libérée E– c'est le total énergie cinétique tous les produits de décomposition. Comme nous l'avons déjà noté, la condition de positivité elle-même E n'est pas encore suffisant pour que le noyau subisse ce type pourriture. La désintégration énergétiquement autorisée peut être interdite par d'autres lois de conservation : moment cinétique, charge électrique etc. D’un autre côté, en l’absence d’une interdiction stricte, tout processus énergétiquement bénéfique se produira nécessairement avec l’une ou l’autre probabilité (même si elle est infime).

5.2. La loi fondamentale de la désintégration radioactive. Activité. La désintégration radioactive est une conséquence de l'instabilité du noyau ou, plus précisément, de son état. Il est impossible d'influencer le cours de la désintégration sans modifier l'état du noyau atomique. Par conséquent, la désintégration radioactive n'est pas affectée par les changements de température, de pression ou état d'agrégation substances, ni champs électriques et magnétiques, ni réactions chimiques, dans lequel un radionucléide est impliqué.

Comme le montrent les observations, la désintégration radioactive est un processus statistique. Ainsi, par exemple, dans les mêmes conditions et sur la même période de temps, plusieurs désintégrations peuvent être enregistrées, ou aucune ne peut être enregistrée. Cependant moyenne le taux de désintégration d'un radionucléide, calculé à partir de l'observation d'un très grand nombre de désintégrations de noyaux individuels, s'avère constant dans toutes les mesures indépendantes dans toutes les conditions. Dans ce cas, la cinétique de désintégration sera décrite comme suit. Laissez à un moment donné t il existe un ensemble de N noyaux radioactifs identiques. Supposons qu'à l'époque dt se désintègre dN noyaux. Ampleur dN sera proportionnel à la période dt et nombre de cœurs N:

Où λ – coefficient de proportionnalité caractérisant le taux de désintégration moyen d'un radionucléide donné et appelé constante de désintégration. Le signe moins signifie qu’avec le temps, le nombre de noyaux non décomposés diminue. En séparant les variables et en intégrant, on obtient :

, (5.3)

Où N 0 – nombre de noyaux radioactifs à t= 0. L'égalité (5.3) est appelée loi fondamentale de la désintégration radioactive.

Dégradation constante λ peut être associé à durée de vie moyenne noyau radioactif τ . Pour ce faire, représentons la courbe de désintégration radioactive en coordonnées N/N 0 – t(Fig. 5.1). D'après la définition mathématique de la valeur moyenne d'une fonction (allant de 0 à 1),

.

Considérant que la valeur de l’intégrale est égale à l’aire S(ombré sur la Fig. 5.1), et aussi du fait que la superficie ne dépend pas de la méthode de son calcul, on a :

.

A l’aide de (5.3), on trouve la valeur de la dernière intégrale :

.

Ainsi, la durée de vie moyenne du noyau

En pratique, une autre grandeur est plus souvent utilisée pour caractériser le taux de désintégration d'un radionucléide - Demi-vie T 1/2. C'est le temps pendant lequel le nombre de cœurs est réduit de moitié. Il existe également une relation simple entre la demi-vie et la constante de désintégration : de (5.3) après substitution N = N 0 /2 et en prenant les logarithmes on obtient

Soulignons encore une fois que la constante de désintégration λ - une quantité indépendante du temps, puisque les différents instants du temps ne se distinguent en aucune manière du point de vue de la désintégration prochaine du noyau. De ce fait, il n’existe pas de notion d’âge pour les noyaux radioactifs : ils ne « vieillissent pas et ne se détériorent pas ». Les radionucléides produits dans les réacteurs et les accélérateurs se désintègrent au même rythme vitesse moyenne, comme les mêmes radionucléides origine naturelle, formé il y a de nombreuses années. C'est pourquoi la demi-vie peut être utilisée pour identifier les radionucléides. Cependant, avant de passer aux méthodes de mesure T 1/2, introduisons une autre définition importante.

En pratique, on est souvent confronté à des quantités de radionucléides si faibles que les unités habituelles de mesure de la masse ou de la quantité d'une substance (gramme, mole, etc.) s'avèrent plus que redondantes. En revanche, pour déterminer la quantité d'un radionucléide, l'enregistrement du rayonnement émis par celui-ci (α-, β-, γ-, neutrons, etc.) est le plus souvent utilisé. Il est donc plus approprié de caractériser cette quantité en unités activité, c'est-à-dire nombre de coeurs n, décroissant par unité de temps. L'activité d'un radionucléide est liée au nombre de ses noyaux comme suit :

. (5.6)

L'unité SI d'activité est une désintégration par seconde, ou une becquerel(Bk). Une unité non systémique est également souvent utilisée - curie(Ki). 1 Ci est l'activité d'un échantillon radioactif dans lequel 3,7 10 10 désintégrations se produisent en 1 seconde (1 Ci = 3,7 10 10 Bq). Historiquement, cette dernière unité doit son apparition à la découverte du radium : un curie correspond approximativement à l'activité d'un gramme de l'isotope 226 Ra.

Détermination expérimentale La demi-vie (constante de désintégration) d'un radionucléide est déterminée à l'aide de détecteurs de rayonnement nucléaire. Connaître le nombre de cœurs N et mesurer l'activité à l'aide d'un détecteur UN, nous pouvons déterminer la constante de désintégration à partir de l’égalité (5.6). Cette méthode compte absolu convient aux radionucléides à vie longue dont l'activité au cours de l'expérience (incluant, par définition, N) reste pratiquement inchangé. Sinon, la méthode est utilisée définition directe . Nombre de particules (α-, β-, γ - quanta, neutrons) enregistrés par le détecteur sur de courtes périodes de temps, proportionnelles à l'activité au moment de la mesure. À son tour,

. (5.7)

Ainsi, le graphique du taux de comptage de particules du détecteur en coordonnées semi-logarithmiques est une droite dont la pente est la constante de désintégration λ .

La méthode de détermination directe est utilisée lorsque la demi-vie varie de quelques minutes à plusieurs jours ou semaines. Pour les radionucléides à vie plus courte, les difficultés liées à la détermination du temps écoulé depuis le début de l'expérience sont désormais surmontées. circuits électroniques, allumant et éteignant le détecteur à intervalles courts et strictement fixes.

5.3. Nature statistique de la désintégration radioactive. Comme indiqué ci-dessus, la loi de diminution du nombre de noyaux radioactifs est satisfaite statistiquement, c'est-à-dire plus leur nombre est précis. Certaines désintégrations se produisent de manière totalement aléatoire : il est impossible de prédire à quel moment tel ou tel noyau va se désintégrer. Ainsi, le nombre de désintégrations par unité de temps est une variable aléatoire. DANS cette rubrique nous trouverons le type de distribution de cette variable aléatoire et déterminerons l'ampleur des écarts du taux de décroissance par rapport à la valeur moyenne.

Considérons la désintégration dans un ensemble de N 0 noyau radioactif au fil du temps t. Les noyaux d'ensemble peuvent être divisés en deux groupes. Le premier comprendra les noyaux qui se désintègrent au cours du temps t, dans le second - ceux qui ne se désintégreront pas pendant ce temps. Probabilité de désintégration d'un noyau p = 1 – q. Alors la probabilité que cela se produise événement complexe quand après un certain temps t va s'effondrer n noyaux de N 0 sera égal

, (5.8)

où est la probabilité de décomposition n noyaux du premier groupe, est la probabilité que les noyaux du deuxième groupe ne se désintègrent pas,

(5.9)

– nombre de façons de choisir n noyaux de nombre total N 0 . Dépendance W(n) probabilité d'un événement aléatoire à partir d'une caractéristique quantitative n sous la forme que nous avons reçu, il s'appelle distribution binomiale variable aléatoire discrète, puisqu'elle peut être représentée comme l'un des termes du développement du binôme de Newton :

(d'après la dernière égalité, il ressort clairement que la somme des probabilités de tous les événements possibles est égale à un). On peut montrer (voir ANNEXE D) que pour une distribution binomiale la valeur moyenne

. (5.10)

Le nombre réel de désintégrations, étant une variable aléatoire, diffère toujours plus ou moins de la moyenne. Pour estimer la répartition des valeurs d'une variable aléatoire, la variance est utilisée D, défini comme l'écart quadratique moyen par rapport à la valeur moyenne :

.

Pour la distribution binomiale

La loi de distribution binomiale peut être simplifiée si les conditions suivantes sont remplies : n << N 0 et r<< 1, т.е. если начальное количество ядер велико, а распадаются они не слишком часто. В этом случае биномиальное распределение переходит в распределение Пуассона

. (5.12)

Contrairement à la distribution binomiale (5.8), caractérisée par deux paramètres ( N 0 et r), il ne contient qu'un seul paramètre. Les expériences visant à déterminer le nombre réel de désintégrations par unité de temps donnent des résultats en bon accord avec une telle distribution. La variance d'une variable aléatoire distribuée selon la loi de Poisson est

Ce résultat découle directement de (5.11) si r<< 1.

Distribution de Poisson définie pour les valeurs entières n. Dans ce cas, une courbe lisse peut être tracée passant par les points correspondants. Pour les petites valeurs, une courbe asymétrique est obtenue. À mesure que , et donc le nombre de points, augmente, la courbe devient de plus en plus symétrique, son maximum se situant à (Fig. 5.2). Ainsi, pour >> 1, le nombre de désintégrations peut être considéré comme une variable aléatoire continue, distribuée normalement, ou selon la loi de Gauss :

. (5.14)

La variance de la distribution normale (5.14) est liée à la moyenne de la même manière que dans la distribution de Poisson : .

Le calcul de la moyenne et de la variance de la distribution binomiale, ainsi que la relation entre les trois distributions, sont donnés à l'ANNEXE D.

Pour déterminer l'intervalle de confiance d'une valeur normalement distribuée n utilisez l'expression suivante :

Où kP– quantile de la distribution normale correspondant à la probabilité de confiance sélectionnée R.. En pratique, lors du traitement des données expérimentales, ils utilisent souvent écart type Δ n, pour lequel kP= 1, une R.≈ 0,683 (c'est-à-dire que le nombre moyen de désintégrations avec une probabilité de 68,3 % ne diffère pas de plus de celui obtenu expérimentalement). Ampleur

représente l’erreur de mesure relative. Si un nombre suffisamment grand de désintégrations est enregistré dans l'expérience, alors la valeur elle-même peut être utilisée pour déterminer l'erreur au lieu de la moyenne inconnue. n. Depuis , erreur relative

Il s'ensuit que pour atteindre un niveau donné de précision de mesure, il est nécessaire d'enregistrer 1/ r 2 désintégrations (par exemple pour une mesure avec une erreur de 1 %) n doit être égal à 10 4).

Conférence 6. Désintégration radioactive. Modèles généraux (fin)

6.1. Désintégration complexe. Transformations consécutives et parallèles. Revenons maintenant à l'expérience visant à déterminer la demi-vie d'un radionucléide. La nature statistique de la désintégration radioactive conduit au fait que dans les mesures réelles d'activité avec des équipements arbitrairement sophistiqués, des points expérimentaux tracés en coordonnées ln UN – t, aura toujours une dispersion des deux côtés d’une ligne droite tracée selon la méthode des moindres carrés. Dans ce cas, vous devez vous assurer que l'écart type ne dépasse pas , c'est-à-dire la droite se situe dans l'intervalle de confiance défini pour chacun des points. S'il n'est pas possible de tracer une ligne droite (Fig. 6.1), alors l'équipement enregistre un phénomène plus complexe que la simple désintégration de noyaux du même type. Considérons différents types de désintégration complexe.

Premièrement, la désintégration complexe peut être due au fait que la substance étudiée contient non pas un, mais plusieurs radionucléides différents. Alors la dépendance de l'activité au temps ressemblera à ceci :

où est l'activité je e radionucléide au moment initial. Dans le cas d'un mélange de deux radionucléides

Si les demi-vies des radionucléides diffèrent suffisamment ( λ 1 >> λ 2), puis pour les petits t exposant à UN 02 est proche de zéro. Alors

En liberté t on peut négliger le premier terme sous le logarithme dans (6.1) :

Ainsi, constante λ 1 et λ 2 sont déterminés par coefficients d'angle tangente au graphique en un point t= 0 et asymptote à (Fig. 6.1).

Deuxièmement, à la suite de la désintégration du noyau mère E 1 noyau fille formé E 2 peut également être radioactif. Dans ce cas, nous avons affaire à une séquence de transformations radioactives, par exemple

E 1 (je 1) → E 2 (je 2) → E 3 (je 3) → …

Le nombre de noyaux filles de chaque type en fonction du temps est déterminé, d'une part, par la vitesse de leur désintégration et, d'autre part, par la vitesse de leur formation, vitesse égale désintégration des noyaux parents correspondants. Alors, conformément à (5.2), on obtient le système suivant équations différentielles:

, (6.2)

etc. Sa solution pour le cas le plus simple de deux désintégrations successives à conditions initiales et a la forme :

,

. (6.3)

Notez que le premier terme de (6.3) décrit l’évolution dans le temps du nombre de noyaux filles qui existaient déjà à ce moment-là. le moment initial temps. Si (il n'y a pas encore de radionucléide fille), alors l'activité totale sera déterminée par l'expression suivante :

UN. Supposons que le radionucléide parent ait une vie courte par rapport à la fille à vie longue, c'est-à-dire λ 1 >> λ 2. Alors de (6.4) on obtient

Cette expression est de forme similaire à (6.1). Par conséquent, la dépendance de l’activité au temps sera dans ce cas la même que celle montrée sur la figure. 6.1 : Le radionucléide parent se désintègre très rapidement et l'activité à vie longue est déterminée par le taux de désintégration du radionucléide fille.

B. Le cas inverse est le plus intéressant, lorsque le radionucléide fille a une vie courte par rapport au parent à vie longue, c'est-à-dire Quand λ 2 > λ 1. De (6.3) on trouve que

Le logarithme de l'activité totale sera exprimé comme

La valeur de l'exposant dans le deuxième terme se rapproche rapidement de zéro, donc dans la période initiale, l'activité augmente rapidement puis diminue lentement en fonction du changement. UN 1 (Fig. 6.2).

Si le temps qui s'est écoulé depuis t= 0, est plusieurs fois supérieure à la demi-vie des noyaux filles, alors

, (6.6)

Ceux. Les activités des radionucléides parents et filles à tout moment sont égales à un facteur constant près. λ 2 /(λ 2 – λ 1).

Considérons enfin le cas où les mêmes noyaux subissent plusieurs types de transformations radioactives (exemples : compétition des désintégrations α- et β dans les noyaux lourds, désintégrations β et β + dans les noyaux impairs-impairs, formation de divers noyaux nucléaires). isomères, etc.). L’important est que chaque transformation soit caractérisée par sa propre constante de désintégration, qui détermine sa probabilité.

Laissez le noyau E 1 est capable de se transformer en l'un des noyaux E je. L’équation du taux de désintégration ressemblerait alors à

,

ceux. constante de désintégration λ 1 est la somme des constantes λ 1je de toutes les manières possibles, ou canaux de désintégration. Si, à son tour, E je est un noyau radioactif, alors

.

Taille

appelé sortie jeème produit de transformation. Il est évident que la production totale sur tous les canaux (comme la probabilité totale de transformation)

6.2. Chaînes radioactives. Les transformations parallèles et séquentielles des noyaux radioactifs conduisent souvent à des résultats assez complexes. chaînes radioactives, Par exemple

E 1 (je 1) → E 2 (je 2) → E 3 (je 3) → E 5 (je 5) →…→F n(l n) →….

E 4 (je 4) → E 6 (je 6)

Comme l'a montré G. Bateman (1910), pour une chaîne non ramifiée constituée de deux maillons ou plus, lorsque t= 0 seul radionucléide disponible E 1, nombre de cœurs n-ième radionucléide

. (6.9)

Dans le cas où une solution générale est requise N 02 ,N 03 ,… ≠ 0, il peut être obtenu en ajoutant à (6.9) des solutions similaires pour des chaînes plus courtes commençant par E 2 , E 3, etc

Si dans une chaîne de transformations successives pour tout je le noyau enfant λi >> λ 1, puis au fil du temps, l'équilibre s'établit pour tous les radionucléides filles, c'est-à-dire à t >> T 1/2 du produit de désintégration à durée de vie la plus longue

La loi d'équilibre séculaire, écrite sous la forme (6.10), peut être utilisée pour déterminer la demi-vie des noyaux parents à vie longue si l'abondance relative de tous les noyaux filles dans un échantillon radioactif est d'abord déterminée. Par exemple, dans les minéraux contenant de l'uranium, pour chaque 2,8 10 6 noyaux de 238 U, il y a un noyau de 226 Ra, produit de sa désintégration avec une demi-vie de 1 620 ans. En utilisant (6.10), nous trouvons que la demi-vie du 238 U est d'environ 4,5·10 9 ans.

Si la chaîne contient des branches provoquées par différents canaux de désintégration, la solution (6.9) lui est également applicable, mais les constantes λi, debout devant le signe somme, aux embranchements je doit être multiplié par les valeurs de sortie oui je+ 1. Chaque branche de la chaîne doit être calculée indépendamment. Si, suite à une ramification après une série de désintégrations, les branches de la chaîne sont à nouveau connectées, le nombre de noyaux derrière le point de connexion est obtenu en additionnant les solutions sur toutes les branches.

6.3. Familles radioactives. Radionucléides dans la nature. Comme indiqué dans la leçon 2, l'énergie de liaison nucléaire par nucléon diminue avec l'augmentation du nombre de masse. UN en raison du rôle croissant de la répulsion coulombienne des protons. En conséquence, les noyaux lourds deviennent instables par rapport à l’émission de particules α et deviennent stables au cours d’une ou plusieurs désintégrations α successives. Cependant, à la suite de la désintégration α, le noyau perd le même nombre de protons et de neutrons, ce qui entraîne une violation du rapport optimal Z/UN: Le noyau fille résultant contient un nombre excédentaire de neutrons et est stabilisé par désintégration β−. Ainsi, sur le chemin de transformation des noyaux radioactifs lourds (uranium, thorium, etc.) en noyaux stables, on observe une alternance de processus de désintégration α et β−.

Au cours de la désintégration α, le nombre de masse du noyau diminue de quatre et pendant la désintégration β, il ne change pas. Par conséquent, tous les noyaux radioactifs lourds peuvent être répartis en quatre groupes, ou familles radioactives(Tableau 6.1), en fonction de leur indice de masse, où n− un entier, et m− reste de la division UN par quatre, c'est-à-dire 0, 1, 2 ou 3. La transformation d'un radionucléide d'une famille en un radionucléide appartenant à une autre est pratiquement impossible, car cela nécessiterait de changer le nombre de masse en un nombre autre que 4. Bien que de tels types de transformations radioactives soient connus, le rendement des produits correspondants est négligeable.

Tableau 6.1

Familles radioactives

On trouve dans la nature des radionucléides de trois familles : le thorium, l'uranium-radium et l'uranium-actinium. Contenu dans la croûte terrestre l'uranium est de 3,10−4 et le thorium de 1,10−3 % en poids. La teneur en radionucléides filles peut être déterminée à partir de la relation (6.10), qui exprime l'équilibre séculaire, puisque tous les radionucléides filles ont des demi-vies beaucoup plus courtes que celles de leurs parents à vie longue. La famille des Neptunium n'est pas présente dans la nature et a donc été étudiée plus tard que les autres, seulement après que la technologie de production de radionucléides artificiels ait atteint un niveau suffisamment élevé.

Les produits finaux de la désintégration des familles radioactives naturelles sont les isotopes du plomb. Cela est dû à la stabilité accrue des noyaux contenant le nombre magique de protons ( Z= 82). Quant au 209 Bi (famille des neptunium), ce noyau contient le nombre magique des neutrons ( N= 126). C'est pourquoi le 209 Bi est le noyau stable le plus lourd. La teneur notable en 209 Bi dans la croûte terrestre peut indiquer qu'il y a plusieurs millions d'années, des radionucléides de la famille neptunium-237 y étaient également présents, mais en raison de la courte demi-vie de leur parent, ils ont cessé d'exister.

Outre les représentants de trois familles radioactives, la croûte terrestre contient une vingtaine de radionucléides supplémentaires à vie longue, qui, en règle générale, donnent des noyaux stables lors de la désintégration. Les plus importants d'entre eux sont 40 K ( T 1/2 = 1,28 10 9 ans) et 87 Rb ( T 1/2 = 4,75 10 10 ans).

Sous influence rayons cosmiques Des réactions nucléaires se produisent dans l’atmosphère terrestre, conduisant à la formation de nombreux radionucléides aux demi-vies relativement courtes : 3 H (12,3 ans), 10 Be (1,6 10 6 ans), 14 C, etc. Ces radionucléides sont appelés cosmogénique. Grâce à formation continue, compensant leur désintégration, les radionucléides cosmogéniques sont présents sur Terre en quantités suffisantes pour leur détection.

6.4. Géochronologie nucléaire. La géochronologie nucléaire utilise le phénomène de désintégration radioactive pour déterminer l'âge des caractéristiques géologiques. Le taux de désintégration radioactive est resté constant à toutes les époques géologiques, indépendant de conditions extérieures. Par conséquent, les lectures des « horloges nucléaires » faites par la nature elle-même peuvent être considérées comme très fiables.

Actuellement, un certain nombre de méthodes sont utilisées pour dater les objets géologiques. La géochronologie nucléaire est devenue une branche indépendante des sciences de la Terre. La généralisation et la systématisation des résultats des recherches géochronologiques nucléaires ont conduit à la création d'une échelle de chronologie absolue de la Terre. Amélioration technologie analytique(principalement spectrométrie de masse) a permis d'utiliser plusieurs méthodes pour analyser un même échantillon. Seulement si les résultats obtenus différentes méthodes, sont cohérents les uns avec les autres, un certain âge absolu est attribué à cet échantillon.

Pour résoudre les problèmes géochronologiques nucléaires, la notation suivante de la loi fondamentale de la désintégration radioactive (5.3) est plus pratique :

Accumulé au fil du temps t le nombre de noyaux du nucléide fille est déterminé par la différence D= N 0 –N, d'où découle la formule pour l'âge de l'échantillon :

. (6.11)

Lors de la dérivation (6.11), il a été supposé qu'au moment de la formation de l'objet (minéral, roche), aucun atome de nucléide fille n'avait été trouvé dans sa composition. Si l'objet nouvellement formé contenait déjà D 0 de ces atomes, alors D=D 0 + N 0 –N, Et

. (6.12)

Par conséquent, pour dater un échantillon, il est nécessaire de mesurer la teneur en nucléides parents (radioactifs) et filles (stables). A cet effet, l'analyse spectrométrique de masse est le plus souvent utilisée. Précision du timing t, qui est considéré comme l'âge géologique absolu d'un minéral ou d'une roche, dépend de la précision de la détermination D Et N, ainsi que sur la précision avec laquelle la constante de désintégration est connue λ .

Une condition préalable importante à l'utilisation réussie des méthodes de géochronologie nucléaire est la fermeture de l'échantillon étudié pour les nucléides parents et filles. Cela signifie que pendant toute la durée de la « vie » de l'objet, ni l'un ni l'autre n'ont été supprimés ou ajoutés de l'extérieur. La possibilité d’une « ouverture » partielle à un moment ou à un autre doit toujours être prise en compte. Oui, quand haute température la diffusion, et donc l’élimination de certains éléments des minéraux, devient possible. Une confirmation fiable de l'étanchéité du système est la coïncidence des âges obtenue par différentes méthodes, c'est-à-dire lors de l'utilisation de divers nucléides mère et fille.

DANS total Plus d'une douzaine de méthodes géochronologiques nucléaires ont été développées. Adéquation d’une méthode particulière d’évaluation âge absolu dépend de la durée de vie de l’objet de recherche. Lors de la détermination de l'âge des jeunes formations, il convient d'utiliser des radionucléides ayant une demi-vie relativement courte. Au contraire, lors de l’étude de minéraux ou de roches anciennes, il faut des radionucléides ayant une demi-vie d’au moins 1 milliard d’années. Les méthodes les plus largement utilisées sont celles liées à la désintégration des isotopes de l'uranium, 40 K et 14 C.

De toute évidence, l'âge maximum établi pour les roches terrestres indique une limite inférieure à l'âge de la Terre en tant que planète. Pour déterminer la limite supérieure de l'âge de la Terre, les modèles de distribution des isotopes du plomb dans les minéraux de plomb sont étudiés. Par estimations modernes, obtenu par cette méthode, l'âge de la Terre est de 4,53 à 4,55 milliards d'années.

Datation uranium-plomb. La datation uranium-plomb est la première méthode géochronologique nucléaire utilisée pour déterminer les âges absolus. En 1907, B. Boltwood mesura l'âge du minéral d'uranium à l'aide de cette méthode et conclut que les temps géologiques devaient être calculés en centaines de millions et en milliards d'années.

La composition isotopique moyenne du plomb sur Terre est caractérisée par les données suivantes : 204 Pb – 1,5 % ; 206Pb – 23,6 % ; 207Pb – 22,6 % ; 208Pb – 52,3 %. Les noyaux des trois derniers isotopes (ou une partie d'entre eux) sont radiogénique, représentant les produits finaux de la désintégration des familles radioactives naturelles.

Lors de l’analyse d’un échantillon pour la teneur en isotopes U, Th et Pb, trois rapports isotopiques peuvent être obtenus : 206 Pb/ 238 U, 207 Pb/ 235 U, 208 Pb/ 232 Th. Leur substitution dans (6.11) donne trois estimations indépendantes de l’âge géologique absolu. En raison du très longue période La demi-vie du rapport Th 208 Pb/232 Th est caractérisée par une faible sensibilité, elle n'est donc pas toujours utilisée. Ainsi, l’essentiel de la datation uranium-plomb consiste tout d’abord à déterminer les rapports 206 Pb/ 238 U et 207 Pb/ 235 U ; d'où le nom de la méthode : « uranium-plomb ». Les objets pratiques pour son utilisation sont les minéraux contenant de l'uranium tels que l'uraninite, le zircon, la monazite, etc.

Si l'intégrité du système est rompue, une perte de plomb due à la diffusion est possible. Cependant, si tous les isotopes du plomb sont perdus dans la même proportion, alors l'égalité reste valable.

. (6.13)

Le rapport 238 U/235 U pour l'ère géologique moderne est constant et égal à 137,8 pour presque tous les objets. Par conséquent, le rapport 207 Pb/206 Pb peut servir de facteur supplémentaire, permettant de calculer l'âge à l'aide de l'équation (6.13). t. Si la relation résultante est cohérente avec les valeurs résultant de (6.11), cela indique que le système est fermé.

La présence de plomb primaire d'origine non radiogénique conduit, selon (6.11), à une surestimation de l'âge des minéraux uranifères. On peut corriger cette surestimation en mesurant la teneur en isotope non radiogénique 204 Pb. Les rapports 206 Pb/204 Pb et 207 Pb/204 Pb (ainsi que 208 Pb/204 Pb, si l'âge est en outre déterminé par 208 Pb/232 Th) dans les minéraux radioactifs sont comparés aux mêmes rapports dans les minéraux associés, où la teneur en U et Th est négligeable et faible et tous les isotopes du plomb peuvent être considérés comme non radiogéniques.

En présence de pertes d'uranium, les âges calculés à partir de différents ratios devraient être les suivants : t(206 Po/238 U) > t(207 Po/235 U) > t(207 Pb/ 206 Pb). En cas de pertes de plomb, la séquence de valeurs t inverse.

Datation potassium-argon. La méthode potassium-argon pour déterminer l'âge géologique a été développée par E.K. Gerling (1949). Le potassium naturel possède un isotope radioactif de 40 K dont la teneur moyenne dans le mélange naturel est de 0,012 %. La désintégration de 40 K se produit par désintégration β – - ou capture d'électrons. Le premier canal avec formation de 40 Ca n'a aucune importance pratique, car les minéraux contenant du potassium contiennent généralement du 40 Ca non radiogène, dont la contribution ne peut pas être expliquée avec précision. Le deuxième canal conduit à la formation de 40 Ar et est utilisé pour la datation. La fraction de 40 K convertie en 40 Ar peut être calculée à partir de la relation entre le rendement de la désintégration β y β(88%) et sortie de capture d'électrons ouais(12%):

. (6.14)

La quantité totale d'isotopes radiogéniques 40 Ar et 40 Ca formés au fil du temps t, est égal

(λ – constante de décroissance 40 K). Par contre, de (6.14) il résulte que

. (6.16)

En comparant (6.15) et (6.16), on obtient une formule pour déterminer l'âge :

. (6.17)

La méthode potassium-argon est plus universelle que la méthode uranium-plomb, car les minéraux contenant du potassium sont plus répandus.

L'argon produit par la désintégration de 40 K a tendance à se diffuser hors des minéraux. Pour la plupart des minéraux, la diffusion devient significative à des températures > 300 o C. Le taux de diffusion de l'argon à partir d'un minéral dépend de la taille de ses grains : un minéral à grains fins perd de l'argon plus rapidement en raison de taille plus grande rapport surface/volume. La perte d'argon due à la diffusion entraîne des résultats de datation incohérents pour le même type de minéral dans une roche donnée. Les valeurs de cet âge sont généralement sous-estimées par rapport aux valeurs réelles. plus de perte argon, plus l’âge apparent est sous-estimé. DANS dans certains cas il est possible d'identifier la raison spécifique de l'incohérence des résultats de la détermination de l'âge.

Datation au radiocarbone. DANS couches supérieures atmosphère, la composition des rayons cosmiques change. Particules primaires rayonnement cosmique(principalement des protons) ayant haute énergie, peuvent diviser les noyaux des atomes rencontrés sur leur passage. La fission produit des neutrons qui peuvent à leur tour provoquer des réactions nucléaires. La réaction la plus importante provoquée par les neutrons est la conversion du 14 N en 14 C. Le 14 C cosmogénique, appelé radiocarbone, a une demi-vie de 5 730 ans. En émettant des particules β, il se transforme en 14 N stable. Formé dans l'atmosphère terrestre, le radiocarbone s'oxyde rapidement et se transforme en radiocarbone. dioxyde de carbone 14 CO 2, qui en 10 à 15 ans est complètement mélangé à toute la masse de dioxyde de carbone de l'atmosphère. Grâce au dioxyde de carbone, le 14 C pénètre dans les plantes et de là dans d'autres organismes vivants. La concentration d'équilibre de 14 C dans le carbone échangeable de la biosphère est de 1,2∙10 -10 %.

Dès que le métabolisme du corps s'arrête, la concentration de radiocarbone dans les tissus commence à diminuer. Ainsi, par la quantité de 14 C présente dans les restes d'organismes, il est possible de déterminer le moment de cessation des échanges de carbone avec l'atmosphère, c'est-à-dire moment de la mort. Le temps qui s'est écoulé depuis ce moment est déterminé par la formule :

, (6.18)

Où AVEC arr et AVEC atm – concentration de 14 C dans l'échantillon et du carbone atmosphérique ; λ – constante de désintégration 14 C.

La méthode de datation au radiocarbone a été proposée en 1951 par W. Libby et a été utilisée pour la première fois pour déterminer l'âge d'objets archéologiques d'origine organique. La méthode au radiocarbone est d'une grande importance pour la chronologie absolue du Quaternaire. La gamme d’objets pour la datation au 14C est très large. On utilise généralement des résidus organiques trouvés dans les roches - bois, tourbe, humus, etc. La demi-vie relativement courte du radiocarbone limite la limite supérieure d'applicabilité de la méthode qui, lorsqu'elle est niveau moderne la technologie de mesure a 50 000 ans. La limite inférieure d'applicabilité de la méthode est estimée à 1 mille ans ; Il n'est pas conseillé de dater des objets de moins de 1000 ans au 14 C, car erreur dans la mesure de la différence entre AVEC guichet automatique et AVEC arr devient grand.

Au cœur méthode au radiocarbone repose l'hypothèse selon laquelle la teneur en 14 C dans l'environnement extérieur (air, eau) au moment où l'on enregistre l'arrêt du métabolisme dans l'objet était la même qu'à l'heure actuelle. Cette hypothèse n'est pas entièrement stricte. Au cours des 200 dernières années, en raison de la combustion de combustibles fossiles, l'atmosphère a été diluée avec du CO 2 technique, qui ne contient pratiquement pas d'isotope 14 C (dans le charbon et le pétrole, la concentration de radiocarbone est négligeable). Explosions thermonucléaires, au cours duquel il se forme grand nombre les neutrons, au contraire, dans périodes individuelles a considérablement augmenté la teneur en 14 C dans l'atmosphère.

De plus, la concentration d'équilibre de 14 C dans l'atmosphère dépend de l'intensité du rayonnement cosmique. Les protons du rayonnement cosmique sont déviés par le champ magnétique terrestre, qui agit comme un écran. À en juger par les données paléomagnétiques, la tension champ magnétique La Terre a connu une évolution constante au cours des 10 000 dernières années. En conséquence, l'intensité du flux de protons cosmiques atteignant les couches supérieures de l'atmosphère, et donc le nombre de neutrons secondaires responsables de la formation de 14 C, a également changé. Cette circonstance peut introduire une erreur (environ 10 %) dans les résultats. de détermination de l’âge par la méthode du radiocarbone.

L'utilisation généralisée de la méthode de datation au radiocarbone a permis de créer un schéma climatochronologique de l'étape la plus récente histoire géologique. En même temps le résultat le plus important La recherche a mis en évidence des changements climatiques synchrones dans différentes régions de la Terre. Par exemple, un refroidissement prononcé entre 33 et 30 000 ans et un réchauffement entre 16,5 et 15 000 ans peuvent être observés dans toutes les régions du globe.