Désintégration bêta
La désintégration bêta modifie la répartition entre protons et neutrons sans changer le nombre total de nucléons. Elle relève de l’interaction faible et existe sous plusieurs formes : bêta moins, bêta plus et capture électronique.
Bêta moins : un neutron devient un proton
n → p + e− + ν̄e
Au niveau du noyau, AZX devient AZ+1Y. A ne change pas ; Z augmente de 1, donc l’élément change. L’électron observé est créé dans le processus de désintégration : ce n’est pas un électron orbital arraché à l’atome.
Bêta plus et capture électronique diminuent Z
p → n + e+ + νe
En émission bêta plus, un proton est converti en neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino : Z diminue de 1. La création du positon impose un seuil énergétique lié à sa masse.
Une autre voie est la capture électronique : le noyau capture un électron atomique, un proton devient neutron et un neutrino est émis. Le réarrangement du cortège électronique peut ensuite produire des rayons X caractéristiques ou des électrons Auger.
Le spectre continu révèle le partage de l’énergie
Si l’électron était le seul produit léger, il aurait presque toujours une énergie déterminée. Or on observe tout un continuum jusqu’à une énergie maximale. Le neutrino emporte une part variable de l’énergie et de la quantité de mouvement.
Cette observation a joué un rôle historique majeur : elle permet de conserver énergie, quantité de mouvement et moment cinétique dans chaque désintégration.
Les particules bêta sont des particules chargées
Électrons et positons bêta ionisent et excitent la matière par interactions électromagnétiques. Leur trajet est plus tortueux que celui d’une particule alpha car leur masse est beaucoup plus faible.
À haute énergie et dans un matériau de numéro atomique élevé, le freinage peut aussi produire du rayonnement de freinage. L’atténuation d’un faisceau bêta ne se résume donc pas à une portée géométrique unique.
Exercices résolus
1. Bêta moins
Le carbone-14 (Z = 6) se désintègre par bêta moins. Quel est le noyau fils ?
Solution
A reste 14 et Z devient 7 : le noyau fils est l’azote-14.
2. Bêta plus
Un noyau de A = 22 et Z = 11 émet un positon. Que deviennent A et Z ?
Solution
A reste 22 et Z diminue à 10.
3. Spectre continu
Pourquoi deux électrons issus du même radionucléide peuvent-ils avoir des énergies différentes ?
Solution
Parce que l’énergie disponible est partagée de façon variable entre l’électron, le neutrino et le recul du noyau fils.