Physique et techniques nucléaires

Table des matières

Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

I. Structure de la matière

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Structure de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Modèles planétaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Modèles quantiques de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Structure du noyau atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Nomenclature en physique nucléaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Énergie de liaison nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Modèles nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les particules élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

II. La radioactivité

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Noyaux stables et noyaux instables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Les différents types de désintégrations radioactives . . . . . . . . . . . . . .

a. La désintégration alpha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. La désintégration b- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. La désintégration b+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. La capture électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. La désintégration gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. La conversion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. La fission spontanée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Étude quantitative des lois de transformations radioactives . . . . . . . . .

a. Relation fondamentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Durée de vie d’un radioélément . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Période d’un radioélément . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Activité d’une substance radioactive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Désintégration en chaîne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Désintégration composée ou embranchement . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. La radioactivité naturelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Radioéléments ne donnant pas de filiations radioactives . . . . . . . . .

b. Les familles radioactives naturelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Détermination de l’âge de la terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. La radioactivité artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Production des radioéléments artificiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Équation générale d’activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

III. Les collisions nucléaires

1. Systèmes de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Système du laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Système du centre de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Changement de système de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Cinématique des collisions nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Équivalence masse-énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Lois de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Étude de la diffusion élastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Cinématique des réactions nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Section efficace des collisions nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Section efficace totale de collision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Section efficace différentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Section efficace de diffusion coulombienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

IV. Interactions des rayonnements nucléaires avec la matière

1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Fluence et flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Sections efficaces macroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Loi d’absorption d’un faisceau de rayonnement dans un matériau

2. Interaction des particules chargées avec de la matière amorphe . . . . .

a. Perte d’énergie par collisions avec les électrons atomiques . . . . . .

b. Perte d’énergie par radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Pouvoir d’arrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Parcours des particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Interaction des particules chargées avec la matière cristalline . . . . . . .

a. Canalisation des particules chargées lourdes
    dans un matériau cristallin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Conditions de canalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Pouvoir d’arrêt d’un matériau cristallin pour des
    particules chargées lourdes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Interaction des rayonnements électromagnétiques ou photons
    avec la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Processus d’interaction des photons g avec la matière . . . . . . . . . . .

b. Effet global de l’interaction des photons g avec la matière . . . . . . .

5. Interaction des neutrons avec la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Ralentissement des neutrons par chocs élastiques
    sur des noyaux cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

V. Détection des rayonnements nucléaires

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Principe de détection des particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Principe de détection des particules non-chargées . . . . . . . . . . . . . .

2. Étude des différents détecteurs de rayonnements . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Détecteurs basés sur l’ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Détecteurs basés sur l’excitation et la désexcitation . . . . . . . . . . . .

c. Détecteurs basés sur les interactions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Détecteurs à effet Cerenkov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Étude d’une chaîne électronique de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Amplificateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Sélecteur monocanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Échelle de comptage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Étude de la détection des photons g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Perte d’énergie des photons gamma par effet photoélectrique . . . . .

b. Perte d'énergie dès photons g par effet Compton . . . . . . . . . . . . . . .

c. Perte d’énergie des photons g incidents par effet
    de création de paires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Résultat de toutes les interactions spectre global . . . . . . . . . . . . . . .

5. Caractéristiques d’un détecteur de rayonnements nucléaires . . . . . . . .

a. Rapport du pic d’absorption totale sur le front Compton . . . . . . . . .

b. Efficacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

VI. Les sources de rayonnements nucléaires

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Les accélérateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Générateurs de neutrons rapides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Accélérateur Van de Graaff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Les réacteurs nucléaires à fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. La fission nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Réacteurs nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les sources radioisotopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Sources formées d’un seul radioisotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Sources de neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

VII. Les techniques nucléaires

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. L’analyse par activation neutronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Principe de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Étude de la cinétique d’absorption et désorption des éléments
    chlore, sodium, potassium, magnésium et phosphore
    dans la cellule de betterave rouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. La radioactivation au moyen des particules chargées . .  . . . . . . . . . . .

a. Méthode expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Étude du processus d’incorporation de l’impureté carbone
    dans le réseau cristallin de Ga1-x A1x As . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. La thermoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. La datation par le dosage du radiocarbone (carbone 14) . . . . . . . . . . .

6. La datation par le potassium-argon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Les radiotraceurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. L’application des détecteurs solides de traces nucléaires en géologie

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

VII. Notions de radioprotection

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Effets physiologiques des rayonnements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Unités radiologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Dose absorbée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Débit de dose absorbée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Équivalent de dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Débit d’équivalent de dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Exposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Protection contre les rayonnements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

Annexe A : Solutions des problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Annexe B : Table des valeurs des constantes physiques . . . . . . . . . . . . .

Annexe C : Liste des lauréats du prix Nobel de physique . . . . . . . . . . . .

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Lexique Français - Anglais - Arabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

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