Chapitre 11 : La radioactivité

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1 Chapitre : La radioactivité. Définitions Définitions : La radioactivité est la transformation spontanée (ou désintégration) d un noyau atomique instable en un autre noyau plus stable. Elle s accompagne de rayonnement ; La radioactivité est dite naturelle lorsque les noyaux instables existent dans la nature et artificielle lorsqu ils sont créés en laboratoire ; Des noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent. isotopes de l hydrogène Représentation symbolique Constitution Hydrogène Deutérium Tritium H H 3 proton neutron proton neutron H proton neutrons Modélisation possible. Activité d une source radioactive La radioactivité est un phénomène aléatoire : - Les lois physiques régissant la radioactivité sont statistiques : elles sont élaborées à partir d un grand nombre d échantillon d un noyau donné ; - Le devenir d un noyau radioactif ne se prédit qu en termes de probabilité. Définition : L activité A(t) d une quantité donnée de substance radioactive mesure le nombre moyen de désintégrations par unité de temps. Elle s exprime en becquerel (symbole : Bq) : Bq = désintégration par seconde Exemples : Remarque : Doc. : Activité moyenne par kg de quelques objets quotidiens Pour un échantillon donné, le nombre de noyaux susceptibles de se désintégrer diminue, donc l activité diminue au cours du temps. L activité est divisé par au bout d une durée appelée demi-vie d un échantillon radioactif. La demivie se note t ½ et s exprime en heure (symbole : h), minute (symbole : min) ou seconde (symbole : s).

2 - Le gray (symbole Gy) : Les autres unités de mesure Cette unité permet de mesurer la quantité de rayonnements absorbés ou dose absorbée par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements. Le gray a remplacé le rad en Le sievert (symbole Sv) gray = rads = joule par kilogramme de matière irradiée. Les effets biologiques des rayonnements sur un organisme exposé (selon sa nature et les organes exposés) se mesurent en sievert et s expriment également en «équivalent de dose». L unité la plus courante est le millisievert. - Le curie (symbole Ci) L ancienne unité de mesure de la radioactivité est le Curie qui avait été défini comme l activité de g de radium, élément naturel que l on trouve dans les sols avec l uranium. Cette unité est beaucoup plus grande que le becquerel car, dans un gramme de radium, il se produit 37 milliards de désintégrations par seconde. Ci = 3,7. Bq 37 milliards de désintégrations / seconde 3. Désintégrations nucléaires 3.. Les lois de conservation de Soddy () Lors d une désintégration radioactive, il y a : conservation du nombre de charge Z (de la charge électrique) conservation du nombre de masse A (du nombre de nucléons) Lois de conservation de Soddy conservation de l énergie : l énergie totale à l issue de la réaction nucléaire est égale à l énergie totale avant la réaction. conservation vectorielle de la quantité de mouvement : la somme (vectorielle) des quantités de mouvement du noyau fils et des particules émises est nulle dans le référentiel où le noyau était immobile avant sa désintégration (et où sa quantité de mouvement était donc nulle). Application : Lors d une désintégration radioactive, un noyau père A Z chargée A" Z" p on écrira : 3.. Désintégration Y + p A A' A" Z Z' Z" A' donne un noyau fils Z' Y avec émission d une particule A = A' + A" Z Z ' Z " Elle est caractéristique des éléments lourds (A > ) instables ayant un excès de nucléons : A Z Y + He A4 4 Z Remarques : - En toute rigueur le noyau de l'atome d'hélium porte deux charges positives : on devrait donc écrire 4 He. De même pour le noyau fils ( A 4 pas les représenter. Y Z ) qui porte charges négatives. Mais en physique nucléaire, on convient de ne - Les particules sont expulsées avec des vitesses relativement faibles et sont arrêtées par quelques centimètres d'air ou par une feuille de papier, mais elles sont très ionisantes et donc dangereuses par inhalation, ingestion ou contact avec la peau. Frederick Soddy ( septembre septembre 956) était un radiochimiste britannique, lauréat du prix Nobel de chimie en 9.

3 Rn Po He Désintégration Elle est caractéristique des éléments instables ayant un excès de neutrons. Y + e ( e = électron) A A Z Z Remarque : la réaction se fait à nombre de nucléons constant (A = cte). Ainsi, si le nombre de protons Z augmente d une unité alors le nombre de neutrons N diminue d une unité. Ce qui peut se traduire, en respectant les lois de conservation, par l équation suivante : n p + e ( ν) L électron ( e ) est créé lors de la transformation d un neutron ( n ) du noyau instable en un proton ( p ). C N e Désintégration + Elle est caractéristique des éléments instables ayant un excès de protons : Remarques : I Te e Y + e ( e = positron ou positon ou antiélectron) A A Z Z - La particule + (positron) a une durée de vie très courte car lorsqu elle rencontre une particule (électron), les deux particules s annihilent et donnent un rayonnement : e + e γ - La réaction se fait à nombre de nucléons constant (A = cte). Si le nombre de protons Z diminue d une unité alors le nombre de neutrons N augmente d une unité. Ce qui peut se traduire, en respectant les lois de conservation, par l équation suivante : p n + e ( ν) - La radioactivité a longtemps constitué une énigme : elle semblait ne pas respecter le principe fondamental de Ainsi : conservation de l énergie. En 933, Pauli postula l émission d autres particules : l antineutrino (noté ν e ) lors d une désintégration et d un neutrino (noté ν e ) lors d une désintégration +. Y + e + νe (désintégration ) A A Z Z Y + e + νe (désintégration + ) A A Z Z L existence de ces particules fut confirmée plus tard mais on ignore encore leur masse (nulle ou faible) Désexcitation Lors d une désintégration radioactive ( ou ), le noyau fils est en général obtenu dans un état instable (dit état excité, c'est-à-dire ayant un niveau d'énergie élevé). On le note en général Y*. Ce noyau fils ne reste pas dans cet état instable : il évacue cette énergie excédentaire en émettant un rayonnement électromagnétique (rayonnement de faible longueur d onde). On dit qu'il se désexcite. Ce rayonnement apparaît donc comme un phénomène secondaire de la radioactivité. L équation de la réaction nucléaire s écrit : A Y * A Y ( γ) Z Z e e

4 radioactivité La transformation du noyau père en noyau fils (non excité) se fait donc en étapes : Y He A A4 * 4 Z Z A4 * A4 ZY ZY ( γ) Remarque : Les propriétés chimiques d un atome ne dépendent que des électrons alors que les propriétés nucléaires dépendent de la composition du noyau (protons / neutrons). atomes, dont les noyaux appartiennent à deux nucléides isotopes, ne pourront pas être différentiés par les propriétés chimiques de l atome (car ils ont le même nombre d électrons) mais par les propriétés nucléaires de leurs noyaux (car ils n ont pas le même nombre de neutrons) Diagramme N/Z Doc. : Diagramme N/Z des principaux types de désintégrations nucléaires Les noyaux stables sont en noir : ils appartiennent à la vallée de la stabilité Pourvoir pénétrant de la radioactivité Particules alpha (noyau d hélium) : pénétration très faible dans l air, une simple feuille de papier suffit pour arrêter les noyaux d hélium. Particules (électron) : pénétration faible, elles parcourent quelques mètres dans l air. Une feuille d aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons. Particules + (positron) : durée de vie très brève puisqu au contact de la matière, il se produit la réaction suivante : e + e γ Rayonnements : pénétration très grande (plusieurs centaines de mètres dans l air) qui dépend de l énergie du rayonnement. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s en protéger.

5 Les objectifs de connaissance : Chapitre : La radioactivité - Définir la radioactivité naturelle et artificielle ; - Définir l isotopie ; - Connaître les différents types de désintégrations (réactions nucléaires spontanées) ; - Définir et utiliser l activité d une source radioactive. Les objectifs de savoir-faire : - Reconnaître un isotope ; - Expliquez la radioactivité naturelle et artificielle ; - Utiliser les lois de conservation pour écrire l équation d une réaction nucléaire. Je dois savoir Oui Non - Définition des mots : radioactivité, radioactivité naturelle, radioactivité artificielle, isotope, - activité d une source - La radioactivité est un phénomène aléatoire. (cf. ) - Définir l activité d une source radioactive. (cf. ) - Les lois de conservation de Soddy. (cf. 3.) - Écrire l équation des désintégrations, ou +. (cf. 3.) - La signification du diagramme N/Z et savoir l utiliser. (cf. 3.5 & TP n 4)