Désintégration bêta en quelques mots

Découverte et théorie de Fermi

Premier type de radioactivité à avoir été observé dès 1900, la radioactivité bêta aura été celle des 3 radioactivités la plus difficile à expliquer. Pendant près de 30 ans, elle aura été une énigme pour les théories de l'époque qui se sont régulièrement heurtées à de nouvelles observations expérimentales qui mettaient en défaut sa description. Contrairement aux radioactivités α et γ, les particules bêta produites n'étaient pas monoénergétiques mais se distribuaient suivant un spectre en énergie remettant en question la loi de conservation de l'énergie entre autres.

Ce n'est qu'avec les découvertes du neutron et du neutrino au début des années 30 que ce problème fut résolu. Dans le cas d'une désintégration bêta moins par exemple, un neutron d'un noyau (père) pouvait se changer en un proton dans le noyau fils produit et cela s'accompagnait de l'émission de deux particules : la particule bêta (l'électron) et un antineutrino. Désormais, Fermi pouvait bâtir sa théorie et calculer la forme que devait avoir le spectre en énergie des électrons (ou antineutrinos produits). Moyennant quelques approximations, ce dernier peut s'écrire de la façon suivante :

N(p) α p²(Q_β-T_e)²F(Z',p)|M_fi|²C

comprenant un terme d'espace des phases (mettant en jeu l'impulsion p et l'énergie cinétique T_e de l'électron et le Q_β de la désintégration), la fonction de Fermi, F, prenant en compte l'effet du champ coulombien du noyau fils (numéro atomique Z') sur les particules produites et un terme d'interaction entre les états initial et final, faisant intervenir les éléments de matrice nucléaire M_fi. Cette quantité est multipliée de plus par un terme correctif C qui a connu de nombreuses améliorations depuis la théorie originelle de Fermi et qui a son importance dans les thématiques de physique étudiées par le groupe SEN (voir e-Shape, sommation, structure).

La quantité N(p) intégrée sur toutes les impulsions possibles que peuvent prendre les électrons émis donne accès au taux de transition lambda, la constante radioactive représentant la probabilité de désintégration, par unité de temps, d'un noyau radioactif. La demi-vie d'un noyau étant relié à λ par la relation t_1/2=ln2/λ, il est ainsi possible de calculer aussi la demi-vie du noyau considéré.

En quoi l'étude de la désintégration bêta est intéressante ?

Le processus de désintégration bêta est mis en jeu dans de très nombreux domaines notamment de la physique, des données nucléaires, de la chimie et de la médecine. Le groupe SEN, par l'intermédiaire de la mesure de certaines propriétés de la désintégration bêta et en particulier de celles des produits de fission, a construit une activité de recherche cohérente lui permettant de faire des ponts entre plusieurs disciplines de physique fondamentale et appliquée. Le Schéma de désintégration suivant illustre la désintégration beta- d'un noyau ^A_ZX vers le noyaux ^A_Z+1Y, ^A_ZX → ^A_Z+1Y + e- + anti-ν :

La détermination expérimentale des probabilités d'alimentation notées I_β de chaque branche bêta et des énergies des différents niveaux d'excitation du noyaux fils (les endpoints), nous permet de faire le lien entre les différentes thématiques de recherche que le groupe SEN développe.

• Pour la structure nucléaire et l'astrophysique nucléaires, notre point d'ancrage réside dans la détermination de la force bêta définie de la façon suivante 

• Pour les physiques fondamentale et appliquée des neutrinos, nous développons des calculs de sommation qui utilisent I_β et endpoints. Il en est de même pour les calculs de puissance résiduelle des réacteurs nucléaires.

• Pour les données nucléaires, nos mesures permettent de corriger ou de compléter les données de désintégration déjà répertoriées. Par ailleurs, les calculs de sommation sont d'intérêt également pour donner des contraintes aux bases de données sur les rendements de fission et aux modèles de fission. Ces calculs sont aussi intéressants pour contraindre les données expérimentales disponibles sur les propriétes des neutrons retardés.