1S Comprendre IV.2.1 La Radioactivité Synthèse

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1 LA RADIOACTIVITE SOMMAIRE Historique : I- Composition et stabilité des noyaux atomiques Caractéristiques d un noyau atomique Isotopes d un élément Stabilité d un noyau atomique II- La radioactivité Définition Lois de conservations Radioactivité α Radioactivité β Radioactivité β Désexcitation γ (rayonnement) Diagramme de stabilité des noyaux Familles radioactives III- Loi de décroissance radioactive Evolution de la population d un échantillon de matière radioactif pendant une durée t Courbe de décroissance radioactive Temps de demi-vie radioactif IV- Activité d une source radioactive Définition Mesure de la radioactivité V- Applications à la radioactivité Les dangers Les traceurs radioactifs Datation Autres utilisations Notions et Contenus : Cohésion du noyau, stabilité. Radioactivité naturelle et artificielle. Activité. Lois de conservation dans les réactions nucléaires. Compétences attendues : Utiliser la représentation symbolique A X ; définir l isotopie et reconnaître des isotopes. Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle. Connaître la définition et les ordres de grandeur de l activité exprimée en Becquerel. Utiliser les lois de conservation pour écrire l équation d une réaction nucléaire. Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires (domaine médical, domaine énergétique, domaine astronomique, ). j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. /7

2 Historique : LA RADIOACTIVITE 896 : Henri Becquerel ( ; Physicien français) s aperçoit que les produit de son laboratoire émettent, sans exposition préalable au Soleil, un rayonnement invisible qui impressionne les plaques photographiques et ionise l air. => Pris Nobel de Physique en : Pierre ( ; Physicien français) et Marie ( ; Physicienne et Chimiste française) Curie montre que le phénomène n est pas uniquement lié à l uranium. Marie Curie invente le terme de radioactivité. => Prix Nobel de Physique en 903. => Prix Nobel de Chimie en 9 pour Marie Curie pour ses travaux sur le radium. 939 : Irène ( ; Physicienne française) et Frédéric ( ; Physicien français) Joliot- Curie découvrent la radioactivité artificielle. => Prix Nobel de Chimie en : Explosion à la centrale soviétique de Tchernobyl. Un nuage radioactif survole l Europe. 990 : Une caméra sensible à l émission radioactive d éléments injectés dans le corps permet de localiser les zones de fonctionnement du cerveau. 999 : Des chercheurs américains ont réussi à produire pour la première fois les noyaux des éléments 6 et 8. -I- Composition et stabilité des noyaux atomiques.. Caractéristiques d un noyau atomique. Le noyau est un assemblage de particules élémentaires : les nucléons. Nucléons : particules constitutives du noyau atomique (protons et/ou neutrons). Le nombre de nucléons est le nombre de masse A. Les protons : découvert en 90 par Lord Ernest Rutherford ( ; Physicien anglais) On les note souvent par la lettre p. Ils portent une charge électrique positive de valeur égale à la charge élémentaire : q p = +e =,6.0-9 C (C= Coulomb) Les neutrons : découvert en 932 par Sir James Chadwick ( ; Physicien britannique) Cette découverte a mené directement à la fission nucléaire et à la bombe atomique. =>Prix Nobel en 935 pour cet avancement pour la science. On les note souvent par la lettre n. Ils sont électriquement neutres. A Un noyau atomique (ou nucléide) s écrit symboliquement : X X est le symbole de l élément chimique de numéro atomique est le numéro atomique qui correspond au nombre de protons (nombre de charges) A est le nombre de masse qui correspond au nombre de nucléons Nucléides : ensemble des noyaux ayant le même nombre de masse A et le même nombre de charge. Eléments chimiques : ensemble des particules (atomes ou ions) ayant le même nombre de charge. Remarques :. N = A est le nombre de neutron contenus dans le noyau. 2. mp ~ mn ~, kg Ex :. H : A= => nucléon = => proton N=A-=0 neutron. 2 6C : A=2 => 2 nucléons =6 => 6 protons N=A-=6 neutrons U : A=238 => 238 nucléons =92 => 92 protons N=A-=46 neutrons j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. 2/7

3 2. Isotopes d un élément. Des noyaux sont appelés isotopes s ils ont le même nombre de charges mais un nombre de nucléons A différent. 2 Ex :. Carbone C : C 6 (98,9%) 3 C 6 (,%) 4 C 6 (0-0 %) datation 238. Uranium U : U 92 (99,27%) 235 U 92 (0,72%) 234 U 92 (0,006%). Hydrogène : H (99,98%) 2 H (0,02%) deutérium 3 H (traces) tritium Remarques :. des noyaux isotopiques ne se différentient que par leur nombre de neutrons. 2. le pourcentage d isotopes d un élément dans la nature est constant au cours du temps. 3. Stabilité d un noyau atomique. Les forces d attraction gravitationnelle entre nucléons est inférieur aux forces de répulsion électrique entre proton. (Voir cours de ère S) Pour qu il y est cohésion de la matière, une nouvelle force intervient : l interaction forte. -II- La radioactivité.. Définition. Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration est aléatoire, et au cours de laquelle il se transforme en un autre noyau. Une transformation qui met en jeu des noyaux est appelée réaction nucléaire. La radioactivité correspond à une réaction nucléaire spontanée avec émission de particules (α, β - ou β + ) et de radiation γ. Radioactivité : transformation spontanée de noyaux atomiques instables en d autres noyaux. On parle de désintégration. Propriétés : Aléatoires : il est impossible de prévoir l instant de la désintégration. Spontanées : elles se déclenchent sans aucune intervention extérieure. Inéluctables : un noyau instable se désintégrera tôt ou tard. Indépendantes de la combinaison chimique dans laquelle est engagé le noyau radioactif. 2. Lois de conservations. Lois de Soddy : Lors d une transformation nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons A et du nombre de charges. Lors d un désintégration radioactive α ou β, un noyau X (noyau père) donne un noyau Y (noyau fils) avec émission d un particule chargée P : Lois de conservation : A = A + a = + z 3. Radioactivité α. X Y + P + υ( ou υ) + γ A A ' a 0 0 ' z 0 0 Des noyaux sont dit radioactifs α s ils émettent des noyaux d hélium 4 2 He. L équation de la réaction nucléaire pour une émission α s écrit : A X Y + He A = A 4 A' 4 ' 2 = 2 j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. 3/7

4 Ra Rn + He A = 226 = Ex : radium radon = 88 = La radioactivité α concerne les noyaux lourds : A > 40. Remarque : Les particules α sont arrêtées par quelques centimètres d air ou une feuille de papier. Peu pénétrant mais très ionisant. Dangereux si α est inhalées, ingérées ou en contact direct avec la peau. 4. Radioactivité β -. Des noyaux sont dit radioactifs β - s ils émettent des électrons : L équation de la réaction nucléaire pour une émission β - s écrit : A X Y + e + υ + γ A = A A' 0 ' = + υ est une particule sans charge et sans masse appelée antineutrino. (=> particule neutre introduite par Pauli en 93) Co Ni + e A = 60 0 e Ex : colbalt nickel = 27 = 28 - Remarque : Les particules β - sont arrêtées par quelques millimètres d aluminium. Assez pénétrantes. Réaction : 0 0n p + e => neutron proton + électron 5. Radioactivité β +. Positons : particules chargées positivement appelées aussi particules β +. Elles portent une charge +e. Des noyaux sont dit radioactifs β + s ils émettent des positons : 0 e. L équation de la réaction nucléaire pour une émission β - s écrit : A A' 0 X ' Y + e + υ + γ A = A = υ est une particule sans charge et sans masse appelée neutrino. (=> particule neutre) Ex : 5 P 4 Si + e A = 30 phosphore silicium = 5 = 4 + Remarque : Les particules β + ont une durée de vie très courte car quand dès qu ils rencontrent u électron, la réaction suivante se produit : 0 0 e + e γ. => Propriétés utilisées en médecine. Réaction : 0 p e + 0n => proton positon + neutron 6. Désexcitation γ (rayonnement). C est la désexcitation du noyau fils Y * qui produit le rayonnement γ : * Y Y + γ Le rayonnement γ est une onde de même nature que la lumière. j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. 4/7

5 Lors d une transformation radioactive α, β - ou β +, le noyau fils est généralement formé dans un état de grande énergie, dit état excité, qui est un état instable : A A' * a * X ' Y + z P ( Y noyau fils excité) Lors de son retour à son état de plus basse énergie (état le plus stable), appelé état fondamental, il perd alors de l énergie sous forme de rayonnement γ : A' * A' ' ' + Y Y γ Remarque : γ est très pénétrant et difficile à arrêter (+20cm de plomb => Tchernobyl) 7. Diagramme de stabilité des noyaux. Environ 6 éléments connus :. 350 noyaux naturels connus dont environ 60 instables.. > 500 noyaux artificiels connus, tous sont instables. L ensemble des noyaux stables forme sur la représentation graphique ce que l on appelle la vallée de stabilité (zone de stabilité). Lorsque l'on range tous les noyaux connus dans un repère, il apparaît quatre zones: Une zone rouge dans laquelle apparaissent les noyaux stables. Cette zone est appelée vallée de stabilité. On remarquera que pour < 30 les noyaux stables sont situés sur la première bissectrice (ou dans son voisinage immédiat) ce sont donc des noyaux pour lesquels N=. Une zone jaune dans laquelle se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité de type α. Ce sont des noyaux lourds (N et sont grands donc A est grand), Une zone bleue dans laquelle se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité de type β -. Ce sont des noyaux qui présentent un excès de neutrons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A, Une zone verte dans laquelle se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité β + ; avec des noyaux présentant un excès de protons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A. L observation du diagramme (, N) dans lequel chaque point représente un noyau montre que : Pour les noyau stables :. noyaux légers (A < 50) au voisinage de la première bissectrice.. noyaux lourds s écartent de la première bissectrice. => plus de neutrons que de protons. Pour les noyaux instables : on distingues 3 catégories suivant leur position par rapport à la vallée de stabilité : En bout de vallée : noyaux les plus lourds => radioactifs α. Au-dessus du domaine de stabilité : => radioactivité β - (émission d électron). En dessous du domaine de stabilité : => radioactivité β + (émission de positon) ou α. 8. Familles radioactives. Une famille radioactive est l ensemble des nucléides obtenus par désintégrations successives. Ex : famille de l uranium U - famille du thorium Th 90 j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. 5/7

6 -III- Loi de décroissance radioactive. Il est impossible de prédire l instant précis auquel un noyau radioactif particulier se désintègrera. En revanche, on sait mesurer précisément la probabilité que possède ce noyau de se désintégrer par unité de temps.. Evolution de la population d un échantillon de matière radioactif pendant une durée t. Soit un échantillon de noyaux radioactifs : N 0 = le nombre de noyaux présents à une date choisie comme date initiale t 0. N = le nombre de noyaux présents (non désintégrés) à la date t. N + N = le nombre de noyaux présents à la date t + t. X Y + P t 0 N 0 t N = N => N < N 0 t + t N 2 = N + N => N 2 < N N au cours du temps 2. Courbe de décroissance radioactive. Le nombre de noyaux radioactifs présents est régulièrement réduit de moitié au bout d une durée égale au temps de demi-vie (t /2 ) du nucléide considéré. => On parle de temps caractéristique pour passer d une population N à une population N/2. 3. Temps de demi-vie radioactif. On appelle temps de demi-vie d un échantillon radioactif, noté t /2, la durée correspondant à la désintégration de la moitié des noyaux radioactifs initialement présents dans l échantillon : N( t + t ) = / 2 N( t) 2 Au bout de la durée n t /2, la valeur nombre de noyaux présents est égale à Il faut une durée infinie pour que l échantillon soit désintégré totalement. La demi-vie ne correspond pas à la moitié de la durée de vie de l échantillon. -IV- Activité d une source radioactive.. Définition. L activité A(t) d un échantillon radioactif à l instant t est le nombre de désintégration par unité de temps (par seconde) de cet échantillon : A(t) = activité mesurer en Becquerel (Bq) => Bq = désintégration d un noyau / seconde. Remarques : Elle dépend de la masse de l échantillon, en effet plus la masse est grande plus nombreux sont les noyaux et plus l activité sera grande. L activité décroît de moitié à chaque demi-vie. Ex :. eau de mer : A=0 Bq par litre. corps humain : A=0 4 Bq. g de radium : A=0 0 Bq j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. 6/7 N. 0 2 n

7 2. Mesure de la radioactivité. L activité d un échantillon est la seule grandeur directement mesurable. Compteur Geiger(-Müller) : Un gaz est ionisé sous l action du rayonnement. Scintillement de substances fluorescentes : elles émettent des photons lorsqu elles sont traversées par un rayonnement radioactif. Chambre à bulles, chambre de Wilson. Impression de papier photographique (badge pour le control des personnes exposées). -V- Applications à la radioactivité.. Les dangers. Exposition : brûlures, leucémies, cancers,, mort. Protection : enceinte en béton (ex : Tchernobyl). 2. Les traceurs radioactifs. On introduit un isotope radioactif d un élément dans un organe, une plante, dont on veut étudier le fonctionnement. Médecine :. Contrôle du fonctionnement de la glande thyroïde avec l iode 3 53 I.. Localisation de tumeurs cancéreuses avec le phosphore P.. Scintigraphie : image de l organe.. Tomographie : technique d imagerie. Chimie : étude des mécanismes réactionnels (ex : estérification). Agronomie : croissance d une plante, efficacité d un engrais 3. Datation. On utilise un échantillon radioactif en tant qu horloge : N t = ln λ N Le choix du nucléide utilisé dépend de l éloignement dans le temps de l évènement à dater. Ex : Datation au carbone Autres utilisations. Radiothérapie : traitement du cancer (rayonnement γ avec le cobalt Co ) Stérilisation d objets : prothèses, outils chirurgicaux, Métallurgie : contrôle des pièces métalliques (soudures, fissures, ) 0 j f Une condition essentielle de l'hypothèse (scientifique) c'est qu'elle soit aussi probable que possible. 7/7