CHAP. 4 : LA RADIOACTIVITÉ

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1 I / Introduction : CHP. 4 : L RDIOCTIVITÉ L atome est constitué d un noyau comprenant des protons est des neutrons qui interviennent dans réactions nucléaires et d un nuage électronique formé d électrons qui interviennent dans les réactions chimiques. II/ stabilité du noyau : La stabilité du noyau résulte de la compétition entre l attraction forte des nucléons, elle obéit aussi aux lois de la mécanique quantique. Un noyau possédant trop de particules de même type est instable. Dans les petits noyaux il y a tendance à la symétrie, c.a.d : nombre = de protons nombre de neutrons. Trop de protons, trop de neutrons ou trop de neutrons et de protons noyau instable. 4 C, 4 O et 238 U sont des noyaux instables. Les noyaux instables se désintègrent spontanément, en dit qu ils sont radioactifs, c est la radioactivité naturelle. les transmutations radioactives peuvent être aussi provoquées, c est le cas des réactions nucléaires. III /Radioactivité naturelle : ) rayonnements radioactifs : a)rayonnement : Un noyau est dit radioactif s il émet un hélion ( 4 2He ) il se transforme en un noyau fils qui a 4 nucléons et 2 protons de moins que le noyau père. X He Po He + Pb Le rayonnement est très énergétique, très ionisant, mais peu pénétrant,il peu être arrêté par une couche de 6cm d air ou une feuille eu papier. b) Rayonnement ß - : lorsque le rapport N/ est trop élevé, les nucléides émettent des électrons.la noyau fils a le même nombre de masse que le noyau père mais il se trouve une case plus loin dans la classification périodique. X n+ + C e+ N ce rayonnement est très ionisant, pénétrant et peut être arrêté par une feuille d aluminium. Par: HDJ SED EK

2 c) Rayonnement : lorsqu un noyau est formé lors d une désintégration Ou -, il n atteint pas immédiatement l état fondamental, il est dans un état excité. Le passage à l état fondamental libère un photon (gain de lumière)qui na pas de charge et de masse, on peut le représenter par : X* γ + X (noyau excité photon + noyau stable) Ba* γ Ba Ce rayonnement est très pénétrant, il peut traverser une épaisse plaque de Plomb. d) Rayonnement ß + : pres une réaction nucléaire, on obtient parfois des noyaux qui n existent pas dans la nature ou existent en traces, ces noyaux sont instables et se désintègrent spontanément en noyaux naturel en émettant des positons + e ou ß l 2 He n 5 P* + + puis P* e + Si )- spects quantitatifs des désintégrations radioactives : a)-aspect énergétique : les transmutations radioactives s accompagnent toujours d une perte de masse. m correspondant à la libration de la quantité d énergie : E en joules. E= m.c 2 (C=3. 8 m/s : vitesse de la lumière). b)- spect cinétique : l expérience montre que le nombre d atomes dn qui se désintègrent entre un temps t et t+dt, est proportionnel au nombre d atomes N présents à l instant t : dn = λ. N = constante radioactive (s dt - ) par intégration de cette relation entre t= et t et N=N O(n bre d atomes initial) et N, on a : N = N.e t Loi de désintégration radioactive. Le temps nécessaire T pour que ce nombre N O diminue de moitie s appelle période on temps de demi-vie : /2,693 T = t = λ Cette période est caractéristique d un radio-isotope donné : exp : 232Th : T=,39. ans. c) ctivité radioactive : C est le nombre de désintégrations par seconde (d.p.s), ce nombre est égal au nombre d atomes qui disparaissent : dn = = λ. N en Curie (Bq=d.p.s et Ci=3,7. dt d.p.s) NB : Ci est l activité de g de radium 226 de période T=59 ans., 693,693 T = λ = =,39. λ s 23 2, , 66.., 39. N = = 2,66. atomes = = 3,7. d. p. s = Ci Par: HDJ SED EK

3 3)- Familles radioactives Certains éléments radioactifs connaissent des désintégrations successives des noyaux formés. Cette série de désintégrations constitue une famille radioactive. Il existe 3 familles radioactives : -Famille de U (=4n+2) : série de transmutations 26 82Pb -Famille de U (=4n+) : série de transmutations 28 82Pb - Famille de 232 9Th (=4n) : série de transmutations 27 82Pb Toutes ces familles aboutissent à l'isotope stable du plomb. IV/ LES réactions nucléaires : Les réactions de transmutations provoquées sont appelées réactions nucléaires. Elles sont obtenues en bombardant les noyaux de certains atomes à l'aide de particules convenables. Lors de ces réactions, la charge et le nombre total de nucléons se conservent. La quantité d'énergie est E= m.c 2 ) Exemple de réactions nucléaires: a) Transmutations par hélions : */ Libération de proton ou réactions (, p): X + He H Exp: N + He H + O ou 4 7N (,p), 7 8O C'est la ere réaction nucléaire réalisée par Rutherford qui lui a permis de découvrir le proton le en 98. */ Libération de neutrons ou réactions (, n) X + He n Exp: Be + He n + C ou bien 9 4Be (, n), 2 6C Cette réaction a permis de découvrir le neutron par Bothe et Becker en 93. b) Transmutation par protons: */ Capture de protons : Exp N + H He+ C */ Emission d'hélions ou réactions (p, ): X + H X + H He Exp F + H He+ O ou 9 9F (p, ), 6 8O Par: HDJ SED EK

4 */ Emission de neutrons ou réactions (p, n): X + H n+ + Na + H n + Mg */ réactions (p, d): Observées rarement : Be+ H He+ H c/transmutations par neutrons; */ capture de neutrons : X + n X + B+ n B 5 5 */Emission de protons on réactions (n, p): X + n H + S + n H + P */ Réaction de fission nucléaire : En bombardant un atome lourd tel que U par des neutrons, on provoque non pas la formation d un de ses isotopes, mais la fission (fragmentation) de son noyau en deus noyaux plus légers dont le est compris entre 35et 6 et de quelques neutrons, ces derniers vont a leur tour provoquer la fission de nouveaux atomes d'uranium, il s amorce ainsi une réaction eu chaine qui devient explosive en dégageant une quantité importante d'énergie ( 2 MeV/atome), c'est le principe de la réaction nucléaire. U + n Ba + Kr + 3 n + énergie L'énergie dégagée par kg d'uranium est équivalente à l'énergie fournie par l'explosion de 2 tonnes de dynamite. fin d'éviter la multiplication des neutrons dans ces réactions (bombe atomique) on utilise des absorbeurs de neutrons. insi ces réactions peuvent être exploitées a des fins énergétiques. Fermi en 942 réalisa le er réacteur nucléaire pour la production de l'électricité. d) Fusion Thermonucléaire: Ces types de réactions se basent sur la fusion des molécules légères pour former les nucléides plus lourds. Exp H + H 2He + n + énergie(7,6 MeV ) Dans les bombes H on provoque ce type de réactions qui libèrent une énorme quantité d'énergie. Pour quelle soient amorcées. Les réactions de fusion demandent de très hautes températures. 4 Par: HDJ SED EK

5 ces dernières, la matière n'est plus formée d'atomes et molécules mais elle devient un plasma dans lequel le noyau et les électrons sont mélangés. V/ Utilisation des radio-isotopes : Les rayonnements émis par les radionucléides naturels ou artificiels obtenus par des réactions nucléaires trouvent de multiples usages : En Industrie, Médecine et biologie, nalyse chimique et dans les domaines d agronomie, d agroalimentaire et en archéologie. ) Industrie Production d énergie Les centrales nucléaires classiques utilisent la réaction de fission de l'atome d'uranium pour produire de l'énergie. Cette énergie, sous forme de chaleur, est évacuée de l'intérieur du réacteur. Elle est alors utilisée comme dans une centrale thermique classique. Gammagraphie : Elle a le même principe que la radiographie par les rayons X : l'image (recueillie sur une plaque photographique) d'une pièce métallique soumise à un rayonnement gamma révèle et décèle les défauts d'un organe. Toutes les soudures des cuves des réacteurs nucléaires sont contrôlées à l'aide de ce procédé. 2) Médecine et biologie Traitement des tumeurs Le traitement des tumeurs par irradiation, permet, via l'émission d'un rayonnement gamma de détruire les cellules localisées dans la tumeur cancéreuse. Scintigraphie Les radionucléides sont utilisés comme traceurs. Ils participent au métabolisme de la même façon que les éléments naturels auxquels ils sont mélangés. l'iode 3 va être absorbé au même titre que l'iode naturel. On peut alors observer le fonctionnement ou la morphologie d'un organe rendu radioactif par fixation d'un radioélément émetteur alpha ou beta. Les noyaux radioactifs - les marqueurs - sont incorporés généralement dans de grosses molécules organiques (traceurs). I-23 pour la glande thyroïde et le thallium-2 pour le c ur. 5 Par: HDJ SED EK

6 Stérilisation : Des milliers d'articles (seringues, pansements, draps, prothèses,...) sont stérilisés à l'aide de rayon gamma, qui tuent les micro-organismes. 3) L'analyse chimique L'analyse chimique utilise couramment les radioéléments. Le dosage fondé sur la radioactivité est sensible, simple et rapide. On peut ainsi doser des éléments à l'état de trace, non dosables chimiquement. hormones de croissance, insuline dans le sang, etc. 4) gronomie et agroalimentaire Modification génétique Une irradiation des végétaux peut provoquer des changements génétiques importants. On a ainsi obtenu des pailles de blé, d'orge et de riz mieux adaptées à la moisson mécanique et plus résistantes à la verse. Conservation des denrées Une irradiation gamma permet de détruire les insectes dans les denrées stockées et les microorganismes dans les ufs, la viande, etc. Utilisation de traceurs L'utilisation de traceurs, a permis de faire progresser les connaissances en matière d'absorption ou de transport de minéraux. Par exemple, des atomes de phosphore radioactif incorporés dans un engrais se comporteront de la même façon que les atomes stables de phosphore. L'agronome peut ainsi suivre à la trace l'assimilation de l'engrais par la plante et en déduire son efficacité, la date la plus favorable pour la répandre sur le sol, etc. 5) Datation par le carbone 4 Le C4 est l'un des isotopes du carbone: son abondance est de,2. -2 %; les deux autres isotopes sont stables, ce sont le C2 et le C3 présents respectivement dans la proportion de 98,89% et de,8%. Une partie des neutrons créés dans l'atmosphère par les rayons cosmiques interagissent avec l'azote pour former le C C* se désintègre selon l équation: C* N + β Principe de la datation On sait que tout organisme présente de son vivant la même radioactivité que le gaz carbonique atmosphérique. sa mort, les échanges gazeux cessent, le 4 C n'est plus renouvelé, sa radioactivité décroit alors lentement à raison de la moitié tous les 5568 ans, c'est la période de demie-vie. Pour que l'activité spécifique de 3,6 d.p.m/g de carbone reste constante, il faut que le système d'échange matière carbonée-atmosphère reste ouvert. S'il se ferme pour une cause quelconque, telle que la mort de l'organisme, la teneur en 4 C décroître et continuera à le faire régulièrement jusqu'à la disparition totale des isotopes radioactifs qui ne sont plus renouvelés. insi si on mesure aujourd'hui l'activité 4 C = t d'un bois, on peut en la comparant à l'activité du carbone moderne o, en déduire le temps t qui s'est écoulé depuis sa mort. C'est ce que l'on appelle l'ge. L'âge est calculé â partir de la formule de décroissance exponentielle radioactive: (t) =.e - t T=5568 ans et =3,6 d.p.m par gramme de carbone. t=activité mesurée de l échantillon : T t = Ln,693. ( ) N + N C* + H Par: HDJ SED EK