THÈME MONDE DE LA MATIERE / MONDE OBJET

Transcription

1 TP 1STD2A THÈME MONDE DE LA MATIERE / MONDE OBJET CH. XI RADIOACTIVITÉ ET RÉACTIONS NUCLÉAIRES TP O 10 C PAGE 1 / 5 I Radioactivité 1) Stabilité d un noyau La cohésion du noyau est assurée par un équilibre entre les interactions qui interviennent au niveau des noyaux : l interaction forte et l interaction électromagnétique entre les nucléons. Ex : et sont deux isotopes, est plus stable que. Deux isotopes ont le même nombre de protons Z mais pas le même nombre de nucléons A donc des nombres de neutrons différents. Un excès de protons ou de neutrons dans le noyau peut rendre certains atomes instables. Ces atomes sont radioactifs 2) Définition Un noyau radioactif est dit instable La radioactivité est une réaction nucléaire spontanée dans laquelle les noyaux radioactifs se désintègrent en en dégageant de l énergie sous forme de rayonnement électromagnétique ; en se transformant en des noyaux atomiques autres, appelés noyaux fils et en émettant une particule 3) Loi de conservation : Au cours d une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de masse A et du nombre de charge Z. Ex : Radioactivité du carbone : 4) Les particules présentes et leurs notations le positon est l antiparticule de l électron L antineutrino et l antiparticule du neutrino Particule α Électron Positon neutrino antineutrino e 0 e 5) Radioactivité naturelle La radioactivité est dite naturelle quand les noyaux instables sont présent dans la nature La principale source de radioactivité correspond à des éléments radioactifs (radioéléments) existants dans la nature et produits lors des explosions des étoiles. La Terre est soumise en permanence à un rayonnement cosmique composé de noyaux et de particules élémentaires provenant de l espace. Une partie de ce rayonnement riche en radioéléments atteint le sol et rend notre environnement radioactif. 6) Radioactivité artificielle L activité humaine en est à l origine. Il s agit de la radioactivité de noyaux artificiels instables fabriqués par l homme Elle a été découverte en 1934 par Irène et Frédéric Joliot- Curie. Des isotopes radioactifs sont fabriqués dans des accélérateurs de particules (cyclotron) ou des réacteurs nucléaires.

2 7) Différents types de désintégrations radioactives : Radioactivité α : C est le cas des noyaux possédant un excès de nucléons > 140 : + Avec, le noyau père radioactif et, le noyau fils. # Ex : # ℎ + Radioactivité β : C est le cas des noyaux présentant un excès de neutrons par rapport aux protons e Avec, un électron Ex : e Radioactivité β+ : C est le cas des noyaux présentant un excès de protons par rapport aux neutrons e Avec, un positron Ex : e Chaque désintégration radioactive est accompagnée d un rayonnement électromagnétique ϒ correspondant à l énergie libérée. Bilan 8) Diagramme de Segré : Si on classe les nucléides stables dans un diagramme = (), on constate que : - pour < 20 les nucléides stables vérifient la relation approchée = 2 (ou = ), - puis pour > 20, les noyaux présentent un excès de neutrons et le rapport augmente et tend vers 2,5 pour les noyaux les plus lourds. Cette zone regroupant les noyaux stables est appelée «la vallée de stabilité».

3 Les noyaux situés : - au dessus présentent un excès de neutrons (Radioactivité β ), - ceux en dessous présentent un défaut de neutrons (Radioactivité β + ), - et ceux au- delà de = 82 ont trop de nucléons, ce sont les «noyaux lourds» ( Radioactivité α). Exemple et application : L iode 131 est utilisé lors d une scintigraphie pour contrôler la répartition de la fabrication de l hormone thyroïdienne sur la glande. Désintégration de l iode 131 : e C est également un produit de fission dans les centrales nucléaires. L iode s accumule préférentiellement sur la thyroïde pour produire une hormone, la thyroxine mais peut dans ce cas provoquer des mutations génétiques dans les cellules où il pénètre. Il est donc recommandé dans ce cas d ingérer de l iode #, stable, pour saturer la thyroïde en iode et ainsi empêcher la fixation d iode 131 sur la tyroïde. II Comment mesurer la radioactivité? Expérience : Source de Césium 137, désintégrations β détectées à l aide d un compteur Geiger- Muller. # # e Un échantillon radioactif se désintègre en permanence mais de manière aléatoire. L évolution de la radioactivité est alors statistique. Le décompte des désintégrations peut se faire à l aide d un compteur, Geiger- Muller par exemple 1) Définition de l activité : L activité A d une source radioactive est le nombre de désintégration par seconde. Elle s exprime en becquerel (Bq). Ex : Eau du robinet Lait Corps humain Poisson Granite Isotopes utilisés en médecine nucléaire 1 à 2 Bq 80 Bq 110 à 140 Bq 100 à 400 Bq 8000 Bq 10 6 à 10 9 Bq 2) Remarque : Le becquerel ne fait que compter un nombre d'événements par seconde, le caractère dangereux ou non de cette activité dépend de l'énergie et de la nature des particules émises. 3) Effets des rayonnements sur l home Le sievert (symbole: Sv) est l unité utilisée pour donner une évaluation de l'impact des rayonnements sur l'homme. L'effet des rayonnements ionisants dépend d'abord de l'énergie ionisante reçue physiquement par chaque unité de masse. Le Sievert est donc homogène à des Joules par kilogramme. Un voyage Paris- New York aller et retour : 0,06 msv Symptômes mortels à partir de 1 Sv. 4) Evolution de l activité : L activité d une source radioactive diminue en fonction du temps selon une loi qui suit la courbe suivante : A A 0 A 0 /2 Le temps de demi- vie t 1/2 d une source radioactive correspond à la date où la moitié des noyaux ont été désintégrés. Ex : Pour, t 1/2 = 8 jours Pour, t 1/2 = 5730 ans Pour # produit de fission, radioactif β, t 1/2 = 30 ans 0 t 1/2 t

4

5 III Réactions nucléaires provoquées Ces réactions ne sont pas spontanées et nécessitent donc un apport d énergie. Expérience de Rutherford: En 1919, Rutherford réalisa l'expérience suivante : Une enceinte contenant des noyaux d'azote est bombardée à l'aide de particules α ( ). Après éloignement de la source radioactive α, particules α Noyaux d azote l'enceinte contient des noyaux d'oxygène. La transformation ainsi réalisée des noyaux d'azote en noyaux d'oxygène est appelée transmutation. L'équation de cette transmutation s'écrit: + + Une réaction nucléaire est dite provoquée lorsqu'un noyau cible est frappé par un noyau projectile et donne naissance à de nouveaux noyaux. 1) Fusion Lors d une réaction de fusion, deux noyaux légers s associent pour donner un noyau plus lourd. Ex : + + (dans le Soleil) puis + + Un rayonnement électromagnétique ϒ est émis donc de l énergie est libérée. 2) Fission C est une réaction provoquée par la collision d un neutron sur un noyau lourd. # # # # Ex : + # ou ou Les neutrons émis peuvent provoquer d autres fissions. Ils sont contrôlés dans les centrales nucléaires par des barres (cadmium, gadolinium et bore) qui absorbent une partie des flux de neutrons. IV Quelle est l énergie libérée par une réaction nucléaire? Activité Défaut de masse 1) Equivalence masse- énergie En 1905, Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l énergie. Au repos, un système de masse possède lorsqu il est au repos une énergie telle que : =. Avec en Joules, en kg et = Si un système échange de l énergie avec l extérieur alors la masse varie aussi : =. 2) Défaut de masse Ex : # avec #$% = 3, Masse des nucléons qui le constituent : #$é# = = 3, Donc #$% < #$é#, il y a un défaut de masse = #$é# #$% > 0 Ce défaut de masse correspond à une énergie, c est l énergie qu il faut fournir à un noyau au repos pour les dissocier en nucléons isolés ou immobiles. C est l énergie de liaison : =. Ex : # = 2, ) Bilan d énergie Les réactions nucléaires qui cèdent de l énergie au milieu extérieur < 0 se produisent avec une perte de masse < 0. Ex : + Energie fournie au milieu extérieur : = #$%&'( é#$%& Ici, =. +.. = 9, , , , = 8, L énergie libérée comptée positivement est #éé = = 8, Elle se retrouve sous forme de rayonnement ϒ et d énergie capable de mettre en mouvement les produits.