Radioactivité naturelle et artificielle

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1 PARtiE 2 Manuel unique, p. 144 ( Manuel de physique, p. 86) Radioactivité naturelle et artificielle séquence 2 Le programme notions et contenus Radioactivité naturelle et artificielle. Activité. Compétences attendues CoMPrEndrE Cohésion et transformation de la matière Utiliser la représentation symbolique Z A X. Définir l isotopie et reconnaître les isotopes. Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et la radioactivité artificielle. Connaître la définition et des ordres de grandeur de l activité exprimée en becquerel. Les compétences à acquérir dans la séquence 1. Définir l isotopie et reconnaître et les isotopes. 2. Expliquer les radioactivités naturelle et artificielle. 3. Utiliser une grandeur physique : l activité. Évaluation diagnostique p. 144 Situation 1 Cette situation fait appel à des connaissances de Seconde, rappelées dans la séquence précédente. Le noyau d iode 127 ( I) a 53 protons et 127 nucléons, donc = 74 neutrons. Celui d iode 131 ( I) a 53 protons et 131 nucléons, donc = 78 neutrons. L iode 127 et l iode 131 différent donc par leur nombre de neutrons. La mise en évidence de cette différence permet une première approche de la notion de radioactivité, étudiée dans l activité 1. Situation 2 La radioactivité est avant tout un phénomène naturel, contrairement à ce que peuvent penser de nombreux élèves. On pourra citer l utilisation de la radioactivité naturelle dans les méthodes de datation, par exemple. L activité 2 permet d y revenir. Situation 3 La radioactivité peut être très nocive, mais également traiter certaines maladies (radiothérapie par exemple). L Homme est lui-même radioactif (voir activité 2) : tout est une question de dose. Pour évaluer la dangerosité d une source, on peut mesurer son activité, qui est le nombre moyen de désintégrations par seconde (voir activité 3). 79

2 activités Activité 1 À la découverte de la radioactivité p Dans l ordre chronologique : Chaque scientifique a reçu un prix Nobel pour les travaux cités : Henri Becquerel (physique, 1903) ; Pierre Curie (physique, 1903) ; Marie Curie (physique, 1903 et chimie, 1911) ; Niels Bohr (physique, 1922) ; Irène et Frédéric Joliot-Curie (physique, 1935), Orlando Lawrence (physique, 1939) ; Willard Franck Libby (chimie, 1960). 2. Radioactivité naturelle Texte 6 : «un sel d uranium placé dans l obscurité impressionne une plaque photographique qui se trouve à proximité.» Texte 2 : «en découvrant puis isolant dans un minerai d uranium (la pechblende) deux éléments radioactifs : le polonium et le radium» Texte 4 : «Sur Terre, se trouve deux types de radioéléments : ceux qui résultent de la formation de la Terre (uranium 235, uranium 238) et ceux qui proviennent des rayonnements cosmiques, comme le carbone 14.» Radioactivité artificielle Texte 3 : «obtiennent du phosphore 30, instable, qui se transforme alors en silicium 30 en émettant un rayonnement.» Texte 5 : «Il permet d obtenir des isotopes radioactifs pour la médecine nucléaire en accélérant des protons qui viennent irradier une cible.» 3. La datation des vestiges ou fossiles au carbone 14 et la radiothérapie. 4. Uranium 238 : U : 92 protons et 238 nucléons, donc = 146 neutrons. Uranium 235 : U : 92 protons et 235 nucléons donc = 143 neutrons. 5. Deux noyaux isotopes ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. 6. Voici quelques extraits : «(l uranium) impressionne une plaque photographique qui se trouve à proximité» ; «le rayonnement émis est constitué de particules chargées» ; «il attribue le phénomène de radioactivité au noyau de l atome» ; «le radium, qui donnera son nom à la radioactivité (du latin radius : rayon)» ; «le phosphore 30, instable, qui se transforme alors en silicium 30 en émettant un rayonnement». À partir de ces extraits, on peut dire que la radioactivité est la transformation d un noyau d atome instable en un autre noyau qui s accompagne de l émission d un rayonnement (particules chargées). Activité 2 L Homme et la radioactivité p L Homme radioactif, un mythe? 1. a. 0,4 % de la masse d un être humain est constituée de potassium (septième élément le plus abondant). b. On trouve l élément potassium dans tous les aliments, tout particulièrement dans les fruits et légumes. 2. L Homme ingère du carbone dans les aliments, qui contiennent tous cet élément, et dans le dioxyde de carbone qu il respire. 3. Parmi le potassium et le carbone que l Homme ingère ou qui le constituent, un certain pourcentage est radioactif. L Homme est par conséquent radioactif. La radioactivité de l Homme est essentiellement due au potassium 40. Les élèves peuvent déterminer leur activité radioactive à partir de leurs âge, masse et taille dans l exercice 17. L activité radioactive de l Homme n est pas mesurable, les rayonnements étant absorbés par les tissus. 2. La mesure de la radioactivité en question 1 et 2. Les mesures sont du même ordre de grandeur, mais le nombre d événements détectés n est pas exactement le même d une mesure à l autre. On peut penser intuitivement que le nombre de désinté- 80

3 grations sur une même durée, pour un même échantillon d atomes radioactifs et dans les mêmes conditions de mesures, est le même. Ce résultat est donc a priori imprévisible (à discuter avec les élèves). 3. La désintégration des noyaux radioactifs semble se faire de manière imprévisible, aléatoire. Activité 3 Activité d une source radioactive p Approche microscopique 1. Le fait d obtenir un 6 ou non, en lançant un dé, est imprévisible. Mais on a toujours une chance sur 6 de l obtenir. Remarque : on peut demander aux élèves de se munir de 2 ou 3 dés pour la séance, puis les mettre en commun pour réaliser l expérience. 2. a. Nombre de lancers (temps) Nombre de dés restants Activité 7 6,5 6,0 5,8 5,0 4,6 4,2 3,9 4,0 3,4 3,2 3,1 2,9 2,7 2,6 2,4 2,3 2,2 2,1 b. N Évolution du nombre N de dés restants en fonction du temps t 3. Voir tableau précédent. 4. L activité diminue lorsque le nombre de noyaux restants diminue. 2. Approche macroscopique 1. On peut faire varier la distance du compteur à la source, la durée du comptage et la nature de la source. 2. Influence de la nature de la source radioactive : Pour une même durée de comptage (3,0 s), une même distance source-compteur (3,0 cm) et sur une moyenne de 10 mesures : Activité du césium 137 : A( 137 Cs) = 209 Bq. Activité du nickel 63 : A( 63 Ni) = 65 Bq. Influence de la distance source-compteur : Pour une même durée de comptage (3,0 s), pour une même source (césium 137) et sur une moyenne de 10 mesures : Activité du césium 137 pour une distance source-compteur de 2,0 cm : A( 137 Cs) = 209 Bq. Activité du césium 137 pour une distance source-compteur de 6,0 cm : A( 137 Cs) = 23 Bq. Influence de la durée de comptage : Pour une même source (nickel 63) à une distance fixe du compteur (2,0 cm), pour une même date et sur une moyenne de 10 mesures : PARTIE 2 Séquence 2 Radioactivité naturelle et artificielle 81

4 Activité du nickel 63 pour une durée de comptage de 3,0 s : A( 60 Ni) = 65 Bq. Activité du nickel 63 pour une durée de comptage de 6,0 s : A( 60 Ni) = 64 Bq. 3. L activité dépend donc de la nature de la source radioactive et de la distance entre la source et le compteur (plus la distance augmente, plus l activité diminue). Elle ne dépend pas, en revanche, de la durée de comptage. exercices Compétence 1 : Définir et reconnaître les isotopes 1 1. La sphère rouge représente un proton, le signe «+» indiquant la charge. Par conséquent, la sphère bleue représente le neutron. 2. Deux noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. 3. Les noyaux isotopes sont 1 et 2 d une part, 3 et 4 d autre part Des isotopes ont le même nombre de protons donc le même numéro atomique Z, mais un nombre de neutrons différent. Les isotopes sont donc les couples (16, 8) et (18, 8) ; (18, 9) et (19, 9) ; (13, 6), (12, 6) et (14, 6) ; (12, 7) et (14, 7). 2. Z = 8 correspond à l oxygène (O). Les isotopes sont donc 18 8 O et 16 8 O. Z = 9 correspond au fluor (F). Les isotopes sont donc 18 9 F et 19 9 F. Z = 6 correspond au carbone (C). Les isotopes sont donc 12 6 C, 13 6 C et 14 6 C. Z = 7 correspond à l azote (N). Les isotopes sont donc 12 7 N et 14 7 N. 3 a. Cet isotope a 9 protons et 9 neutrons, soit 18 nucléons. C est le fluor 18, 18 9 F. b. Cet isotope a 1 proton et 3 («tri-») nucléons. C est l hydrogène 3, 3 1 H. c. L isotope le plus abondant est le carbone 12 : il a 6 neutrons et 6 protons. L isotope mystère a donc 7 neutrons et 6 protons, soit 13 nucléons et 6 protons. C est le carbone 13, 13 6 C. 4 a. Identiques. b. Différents. c. Différents (par définition). d. Identiques (même nombre de protons). e. Identiques. f. Identiques (même numéro atomique Z). g. Identiques (le nom est associé à la place de l élément dans le tableau périodique). h. Identiques (même nombre de protons). i. Différentes (nombre de nucléons différent) Le noyau d hydrogène 1 1 H H ou 2 1D (non officiel). 3. H 2 O (ou D 2 O). Deux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques : ils vont donc former les mêmes liaisons dans les molécules. 4. La masse du deutérium est supérieure à celle de l hydrogène 1 (un neutron en plus). La masse de l eau lourde solide, donc sa masse volumique, est supérieure à celle de l eau solide : le glaçon d eau lourde coule et celui d eau flotte L isotope a 8 protons et 16-1 = 15 nucléons. C est donc l oxygène 15, 15 8 O. 2. Deux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques. On peut donc remplacer un isotope par un autre dans une molécule sans problème. Compétence 2 : Expliquer les radioactivités naturelle et artificielle 8 a. Faux. Elle provient aussi du bombardement de la Terre par des particules cosmiques de haute énergie. 82

5 b. Vrai. c. Faux. La radioactivité est un phénomène spontané. d. Vrai. e. Faux. La radioactivité implique une désintégration. f. Faux. C est le même phénomène. Pour la radioactivité artificielle, les éléments radioactifs sont fabriqués par l Homme. g. Vrai Interaction forte. 2. La radioactivité est la transformation d un noyau instable en un noyau plus stable qui s accompagne de rayonnements. 3. a. Ils sont classés par nombre de neutrons (N) et nombre de protons (Z). b. On trace la droite : N = Z. Au-dessus (zone bleue) : excès de neutrons par rapport au protons. En dessous (zone jaune) : excès de protons par rapport aux neutrons. La zone verte signale un excès de protons et de neutrons Radioactivité naturelle : potassium 40, carbone 14 et thorium 230. Radioactivité artificielle : césium 137, thorium 230 et cobalt Les eaux de source traversent les sols : elles s enrichissent donc en minéraux et en éléments radioactifs présents dans les sols. 3. La longueur d onde dans le vide de la lumière visible (entre 380 et 780 nm) est largement supérieure à celle des rayons gamma (< m). 4. L accident de Tchernobyl et les retombées radioactives d Hiroshima et Nagasaki ont laissé une image négative de la radioactivité dans la mémoire collective Radioactivité naturelle. 2. Une des causes de la radioactivité naturelle est le bombardement par les particules cosmiques (de l espace) de haute énergie qui touche en premier les couches les plus hautes de l atmosphère. 3. Les cures de radioactivité sont réputées pour traiter rhumatismes ou arthrite, mais cela n a pas été scientifiquement prouvé. Il faut prendre des précautions avec les hautes doses de radioactivité, en particulier avec le radon, qui est un gaz et qui peut donc être facilement ingéré par l Homme. 4. Certaines plages de Camargue sont radioactives. La Bretagne est une région riche en radon. Compétence 3 : Utiliser une grandeur physique : l activité 12 a. Faux. C est le nombre moyen de désintégrations par seconde. b. Vrai. c. Vrai (mais il faut tenir compte d autres paramètres) L activité d une source est le nombre moyen de désintégrations par seconde. 2. L activité d une source s exprime en becquerel, de symbole Bq. 1 Bq correspond à une désintégration par seconde. 3. Homme : A = 152/60 = 2,5 Bq. Granit : A = 503/0,500 = 1, Bq. Radium : A = 3, /1 = 3, Bq. Engrais : A = 29/3 600 = 8, Bq. Lait : A = 803/10 = 80 Bq. De la plus radioactive à la moins radioactive : radium ; granit ; lait ; homme ; engrais. PARTIE 2 Séquence 2 Radioactivité naturelle et artificielle 83

6 15 1. La radioactivité est un phénomène aléatoire. 2. Plus le nombre de mesures est important, plus la valeur de l activité s affine. 3. a. On trouve 307,5 désintégrations en moyenne. b. A = 307,5/5 = 61,5 Bq L activité diminue avec le temps, de moins en moins vite. 2. Pour A = 555/2 = 277,5 MBq, on trouve t = 6 h. 3. L activité est divisée par 555/35 = 16. L activité d un traceur diminue très rapidement en fonction du temps, d où son utilisation dans le domaine médical. EXERCICES DE SYNTHÈSE Plusieurs isotopes du potassium, dont le potassium 40, sont présents dans le corps humain. 2. A F = (94,39-0, , , ) 0,8 55] 1,209 = 3, Bq. 3. En 1 heure, 3, = 1, atomes se désintègrent en moyenne. En 1 jour, on trouve 3, atomes se désintégrant Radon : 40,4 % ; médecine nucléaire : 18,7 % ; alimentation : 18,7 % ; particules cosmiques : 12,5 % ; rayonnement interne : 6,2 % ; énergie nucléaire civile : 0,3 % ; autres : 3,2 %. 2. Radioactivité naturelle : radon, alimentation, particules cosmiques, rayonnement interne. Radioactivité artificielle : médecine nucléaire, énergie nucléaire civile. 3. Le pourcentage d exposition à la radioactivité naturelle est de 77,8 %, celui d exposition à la radioactivité artificielle est de 22,2 %. Nous sommes donc majoritairement exposés à la radioactivité naturelle. 4. Source militaire Isotopes issus de la radioactivité naturelle : carbone 14 et potassium 40. Isotope issu de la radioactivité artificielle : césium Activité du vin pour 75 cl = 0,75 L : A = 42/500 = 0,084 Bq. L activité est proportionnelle au volume de vin. Pour 1 L, on a donc A = 0,084/0,75 = 0,112 Bq = 112 mbq. Cette valeur correspond bien à l année 1987 sur le graphe. 3. Le pic provient des essais nucléaires Hélium : 2 protons et 4-2 = 2 neutrons. Aluminium : 13 protons et = 16 neutrons. 2. Phosphore 30 : 15 protons et 30 nucléons donc = 15 neutrons. Phosphore 31 : 15 protons et 31 nucléons donc = 16 neutrons. 3. a. L aluminium a capté les deux protons de l hélium et a expulsé un neutron. b. Cette transformation n est pas spontanée. c. Le phosphore 30 produit est radioactif. On a donc produit un élément radioactif. 21 L affaire Litvinenko En 2006, un ancien espion russe, Alexandre Litvinenko, fut empoisonné à Londres par 10 mg de polonium 210, probablement issu de déchets radioactifs. Cet élément, découvert par Marie Curie dans un minerai, la pechblende, a une activité de 1, Bq par gramme. Il émet des noyaux d hélium qui sont très nocifs, car absorbés par les tissus humains. 1. Le polonium 210, qui a empoisonné Litvinenko, était-il d origine naturelle ou artificielle? Et celui découvert par Marie Curie? 2. Déterminer l activité des 10 mg de polonium. 3. Pourquoi les médecins n ont-ils pas pu détecter la contamination radioactive simplement? 84

7 1. Origine artificielle pour l empoisonnement de Litvinenko (déchets radioactifs), origine naturelle pour Marie Curie (pechblende). 2. L activité du polonium 210 est de 1, Bq par gramme. L activité des 10 mg est donc : A = 1, = 1, Bq. 3. Car les noyaux d hélium sont absorbés par les tissus humains En lisant sur la courbe : pour 0,6 (60 % de carbone 14 restant), on a t = ans. La momie a donc ans. 2. Il n y a plus d ingestion de matière carbonée. 3. Non, puisqu il n y a plus de carbone 14 dans les échantillons (la proportion est quasi nulle à partir de ans). En route vers la terminale C est une radioactivité naturelle. 2. Réponse c., car le radon perd deux protons et deux neutrons lors de sa désintégration Po. 4. La radioactivité est un phénomène aléatoire. 5. Il faut faire la moyenne sur l ensemble des mesures. On trouve A = 8,5 Bq L = 0,010 m 3. L activité par mètre cube d air est donc A = 8,5/0,010 = 850 Bq m -3. Il faut aérer la cave (on a dépassé le seuil de précaution). PARTIE 2 Séquence 2 Radioactivité naturelle et artificielle 85