Désintegration bêta

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^-) (basse énergie) ou bêta plus (β⁺) (haute énergie) selon que c'est un électron (particule chargée négativement) ou un positron (particule chargée positivement) qui est émis.

Existence du neutrino

La distribution de l'énergie des particules béta, pour un type de désintégration donné, suit une loi de probabilité (contrairement au rayonnement alpha). L'énergie indiquée dans les tables pour les désintégration béta est l'énergie maximale (sauf indication contraire). L'énergie moyenne de la particule béta est à peu près 40% de cette énergie maximale.

C'est l'étude de la désintégration bêta qui 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 électronique ; positron/neutrino électronique).

Le problème fut analysé de façon plus détaillée par Enrico Fermi, mais il fallut attendre 1956 pour les premières observations expérimentales de neutrinos.

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 :

En fait, le neutron n'est pas une particule élémentaire mais est composé d'un quark up et de deux quarks down (udd). C'est un de ses quarks down qui interagit dans la radioactivité β, en se transformant en quark up, formant alors un proton (uud). Au niveau le plus fondamental, l'interaction faible change la saveur d'un simple quark :

qui est suivi immédiatement par la désintégration du W ⁻  :

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 l'électron bêta émis se déplace dans le cristal en provoquant des ionisations sur son parcours, les orbitales des autres atomes du cristal sont réarrangées le long de son parcours. L'électron bêta peut être finalement capté par le cristal lui-même sans pouvoir s'en échapper, cédant alors toute son énergie cinétique au cristal, sous forme de chaleur.

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 bêta.

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.

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 :

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