■ Les atomes sont composés d'un noyau central et d'électrons en périphérie. Le noyau lui-même est composé de particules, appelés les nucléons. Il existe deux variétés de nucléons : les protons et les neutrons.
Les protons portent la charge électrique élémentaire e = 1,602×10^-19 C. Les neutrons ont une charge électrique nulle, ils sont neutres.

■ La représentation symbolique d'un noyau est ^A_ZX. Dans cette écriture, A représente le nombre de masse, c'est-à-dire le nombre total de nucléons dans le noyau. Z représente le numéro atomique, c'est-à-dire le nombre de protons dans le noyau. C'est lui qui définit l'élément chimique ; par exemple Z=6 désigne l'élément carbone, Z=12 désigne l'élément magnésium. Le symbole X est alors remplacé par le symbole de l'élément chimique (ici C ou Mg).

■ La notation symbolique est étendue à la description des particules subatomiques. Ainsi,

• ¹₁p⁺ désigne un proton ;
• ⁰_-1e^- désigne un électron ;
• ¹₀n désigne un neutron ;
• ⁰₁e⁺ désigne un positron, l'anti-particule de l'électron, c'est-à-dire une particule de même masse, mais de charge électrique opposée ;
• etc.

■ Deux noyaux sont isotopes s'ils ont le même numéro atomique mais pas le même nombre de masse. C'est par exemple le cas des deux noyaux suivants : ¹²₆C et ¹²₆C, qui symbolisent les noyaux de carbone 12 et de carbone 14. Certains isotopes sont instables et se transforment spontanément, c'est la désintégration. Elle s'accompagne de l'émission de radiations, elle est qualifiée de radioactive. Chaque noyau instable se désintègre selon un rythme qui lui est propre et qui est caractérisé par la demi-vie radioactive, notée `t_"1/2"`. C'est la durée nécessaire pour qu'un stock de noyaux radioactifs d'un même nucléide soit divisé par deux.

Un nucléide désigne le regroupement formé par tous les noyaux possèdant la même composition dans l'univers. Par exemple, le carbone 12 est le nucléide peuplé de tous les noyaux ¹²₆C qui existent au monde. La recherche dans le domaine du nucléaire a permis d'étudier chacun des nucléides pour en discuter la stabilité : ce nucléide est-il stable ? Inversement, a-t-il tendance à se transfomer ? Si oui, comment ? Avec quelle demi-vie ?

Toutes ces informations ont été représentées dans le diagramme (N,Z) de Ségré. Cette carte est composée d'un pavage de carrés, disposés selon deux axes : en abscisses, le numéro atomique Z du nucléide, et en ordonnées son nombre de neutrons N. Chaque carré représente un nucléide connu et la couleur du carré renseigne sur la stabilité du nucléide.
Le diagramme se scinde essentiellement en deux vastes domaines : les nucléides ayant un défaut de protons (ici en bleu), les nucléides ayant un excès de protons (ici en jaune) et à la frontière entre les deux domaines, la vallée de stabilité (ici en rouge). Pour les petits nucléides, cette vallée est reprérée par l'équation N=Z, première bissectrice.
L'instabilité des nucléides s'explique alors, dans une première approche, par un déséquilibre de leur composition entre le nombre de protons et le nombre de neutrons.

Transformations fréquentes des noyaux instables

■ Les nucléides en défaut de protons se désintègrent par radioactivité β^- : un noyau-père se transforme en un noyau-fils, plus stable, ce qui produit un électron et de l'énergie.
Ex. : ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰_-1e + `cc E`
Cela revient, dans le diagramme, à sauter une case vers le bas et la droite.

■ Les nucléides en excès de protons se désintègrent par radioactivité β⁺ : un noyau-père se transforme en un noyau-fils, plus stable, ce qui produit un positron et de l'énergie.
Ex. : ¹⁷₉F → ¹⁷₈O + ⁰₁e + `cc E`
Cela revient, dans le diagramme, à sauter une case vers le haut et la gauche.

■ Les nucléides trop massifs, qui peuplent la partie haute du diagramme dans leur grande majorité, se désintègrent par radioactivité α : un noyau-père se désintègre en un noyau fils, plus stable, ce qui produit une particule α, c'est-à-dire un noyau d'hélium 4, et de l'énergie.
Ex. : ²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He + `cc E`
Cela revient, dans le diagramme, à sauter deux cases vers le bas et la gauche.

Quelle que soit la transformation nucléaire à l'oeuvre, elle obéit aux lois de Soddy :
Le nombre total de masse se conserve et le nombre total de charge se conserve.
Ex. dans l'équation de désintégration du polonium ci-dessus, 210 = 206 + 4 et 84 = 82 + 2.

À la suite d’une désintégration, le noyau-fils produit dispose généralement d’un excès d’énergie (état excité noté *) qu’il libère sous forme d’un rayonnement électromagnétique, noté γ :
^A_ZX^* → ^A_ZX + γ.

Se protéger contre les rayonnements

Les rayonnements α, β et γ sont ionisants : ils colportent suffisamment d'énergie pour arracher des électrons à la matière qu'ils rencontrent. Ces rayonnements peuvent donc avoir des conséquences graves sur la santé, il faut s'en protéger.
Le rayonnement α est lourd, il est facilement arrêté par une simple feuille de papier. Le rayonnement β est davantage pénétrant : il est bloqué par une feuille d'aluminium, une plaque de verre ou encore un centimètre de plexiglas. Enfin, le rayonnement γ est le plus pénétrant et donc le plus dangereux. Un épais blindage est indispensable pour s'en protéger : 6 cm de plomb, 30 cm de béton ou 54 cm de terre n'en réduisent l'intensité que de 30 %. C'est également le cas des rayons X.

Activité d'une source radioactive

Notée A, l'activité d'une source radioactive mesure le nombre de désintégrations ayant lieu dans l'échantillon de matière par unité de temps. Elle s'exprime en becquerel, de symbole Bq et 1 Bq = 1 s^-1.
Par exemple, le granite, roche produite solidification lente du magma dans le plancher océanique, est naturellement radioactive et un kilogramme de granite possède une activité d'environ 1 000 Bq. Chaque seconde, environ 1 000 désintégrations y ont lieu. Le corps humain est également naturellement radioactif, et cela en raison des nucléides qu'il absorbe par la ventilation ou l'alimentation, avec une activité d'environ 8 000 Bq.

`N(t)` désigne le nombre de noyaux radioactifs présents dans l'échantillon à l'instant t. Chaque désintégration fait diminuer ce nombre de 1 donc le nombre de désintégrations est égal au nombre de noyaux perdus, soit :

Loi de décroissance radioactive

Plus un échantillon de matière contient de noyaux radioactifs, plus la probabilité d'observer une désintégration est grande. Ainsi, si l'échantillon double, son activité double aussi. Il y a proportionnalité entre l'activité d'une source et le nombre de noyaux radioactifs qu'elle contient :

La constante radioactive `\lambda`, qui joue ici le rôle du coefficient de proportionnalité, est homogène à l'inverse d'un temps. Elle s'exprime souvent en s^-1. Sa valeur est propre à chaque nucléide.
Ex. du carbone 14 : `\lambda` = 3,8×10^-12 s^-1.
Ex. de l'iode 131 : `\lambda` = 1,0×10^-6 s^-1.

En égalisant les deux membres de droite des deux égalités précédentes, nous obtenons :

Le nombre de noyaux perdus dans le stock par désintégration est proportionnel au nombre de noyaux présents dans le stock. Plus on en a, plus on en perd.
En réécrivant l'égalité, Il s'agit d'une équation différentielle linéaire homogène à coefficients constants du premier ordre et sans second membre. . La solution d'une telle équation est de la forme : où `N_0 = N(t=0)`, valeur initiale.

Demi-vie radioactive

Notée `t_"1/2"`, la demi-vie radioactive désigne la durée nécessaire pour qu'un stock de noyaux radioactifs soit réduit de moitié, ce qui revient encore à la durée nécessaire pour que l'activité d'une source radioactive soit réduite de moitié.
Il est possible de montrer que `\lambda \cdot t_"1/2"=ln(2)`.

Ci-dessus, quelques cas "du quotidien" qui donnent un rôle à jouer à la radioactivité.

Le technécium, radioisotope marqueur de scintigraphies

Principe de la datation au carbone 14

Exposition aux rayonnements ionisants