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La radioactivité est le phénomène associé à la désintégration spontanée des noyaux instables. Certains atomes sont radioactifs, c’est-à-dire qu’ils émettent un rayonnement. En fait, c’est le noyau de ces atomes qui émet ce rayonnement, car ce noyau est instable. Les isotopes radioactifs instables émettent un rayonnement en continu, par exemple, 146C; 31H. Ces isotopes radioactifs existent à l’état naturel. Il existe aussi une radioactivité artificielle liée aux activités humaines.
I. Les types de radioactivité
On distingue trois types de radioactivité
1.1. Le rayonnement alpha ou la particule alpha (-Ray)
Étant donné que les particules alpha, qui constituent le rayonnement alpha, sont déviées vers la borne négative d’un champ électrique, on a pu déterminer qu’il s’agissait de particules positives. Avec pénétration très faible, une ou deux feuilles de papier suffisent à les arrêter. Il peut passer l’air de 3-5 cm3. La particule alpha est constituée de 2 protons et 2 neutrons, pas d’électrons, il porte donc 2 charges positives (+2) et de masse atomique 4. La particule alpha est constitué d’un noyau d’hélium de symbole ou 42 He.
Équation général de la formation de la particule alpha
b A
a ba42 B + 42
Exemple : Équation de la formation de la particule alpha
234U
92 23090Th + 42 He
214Po
84 21082 Pb + 42 He
226Ra
88 22286 Rn + 42 He
1.2. Le rayonnement bêta ou la particule bêta (-Ray)
Le rayonnement bêta a des propriétés comme des électrons de symbole nucléaire 01e, avec des vitesses optimales, plus pénétrant que le rayonnement alpha, formé par la modification du neutron. La radioactivité bêta existe sous deux formes : bêta plus (+) et bêta moins () mais la plupart sont des bêta moins (), sont déviés vers la borne positive d’un champ électrique.
Le bêta moins porte le nom de « négatron » de symbole 01e Le bêta plus porte le nom « positron » de symbole 01e
La formation du rayonnement bêta par l’échange entre les neutrons et les protons est :
1n
0 11 p + 01e
1 p
1 01n + 01e
Équation général de la formation de la particule bêta
b A
a ab1B + 01e bêta moins
b A
a ab1B + 01e bêta plus Exemple : Équation de la formation de la particule bêta
210Pb
82 21083Bi + 01e
234Th
90 23491Pa + 01e
59Co
27 5926 Fe + 01e 4 11H 42 He + 2 01e 1.3. Le rayonnement gamma (-Ray)
Le rayonnement gamma consiste en l’émission d’énergie par le noyau sous forme d’une onde électromagnétique comme la lumière visible ou les rayons X. Les rayons gamma sont les rayonnements radioactifs les plus pénétrants. Ils sont d’autant plus énergétiques que la longueur d’onde est courte. Étant donné que les rayons gamma ne sont pas déviés par un champ électrique, on a pu déterminer qu’ils sont neutres.
Le rayonnement gamma accompagne généralement un des deux autres types de rayonnement (alpha ou bêta). En effet, lorsque de nouveaux noyaux sont formés, ils arrivent que ceux-ci se retrouvent dans un état de grande énergie nommé « état d’excitation élevé ».
Ce noyau excité est fortement instable. Afin de revenir à un état moins excité et conséquemment plus stable, il émet une partie de son énergie sous forme de « rayons gamma ».
Comme un rayon gamma n’a ni masse ni charge, son émission n’entraîne aucune variation dans le nombre de protons ou de neutrons.
Formation du bêta moins
Formation du bêta plus
Équation général de la formation du rayonnement gamma
b A
a ab42 B* ba42 B
b A
a ab1 B* ab1 B
Remarque (*) : désigne la particule intermédiaire dans un état de grande énergie, instable, il faut donc revenir à un état moins excité en émettant le rayonnement gamma.
Exemple : Équation de la formation de la particule gamma
210Po
84 20682Pb* + 42 He
20682Pb +
210Pb
82 21083Bi* + 01e
21083Bi +
II. Réactions nucléaires
Les changements subis par les noyaux radioactifs sont des réactions nucléaires. Une réaction nucléaire conduit souvent à la formation d’un élément qui n’était pas présent initialement et émet le rayonnement.
Parmi les réactions nucléaires possibles, se trouvant la fission et la fusion.
2.1. La réaction de fission
La fission nucléaire est l’éclatement d’un noyau lourd et instable en deux noyaux plus légers et quelques neutrons. Cet éclatement s’accompagne d’un dégagement de chaleur, c’est-à-dire de l’énergie. Un noyau peut subir la fission est dit fissile, comme l’Uranium 235. Il existe diverses possibilités de fissions avec l’Uranium 235. Une des plus courantes est :
235U
92 + 01n 13956 Ba + 3688Kr + 9 01n + E élevé Ainsi, les neutrons émis lors de la fission vont engendre d’autres fissions, ce qui se traduit par une réaction en chaîne. C’est ce processus qui est utilisé dans les réacteurs nucléaires et les bombes. Actuellement, les scientifiques ont mené la fission
largement utilisée dans le four de réacteur nucléaire pour produire des isotopes radioactifs utilisés dans la médecine, l’agriculture, l’industrie… En maîtrisant la réaction en chaîne, les centrales nucléaires génèrent de la chaleur dans les réacteurs, qui sert à produire de l’électricité.
2.2. La réaction de fusion
La fusion est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux ou plusieurs noyaux légers s’unissent pour former un noyau lourd.
Elle s’accompagne d’une forte libération d’énergie, plus élevée à celle libérée lors de la fission. La réaction de fusion bien connue est la réaction de la bombe à hydrogène. Cette réaction a très peu d’effet sur l’environnement.
2H
1 + 21H 32 He + 01n
III. L’équation nucléaire
Une réaction nucléaire peut être représentée par une équation nucléaire. Chaque particule est écrite avec son symbole chimique, avec son numéro atomique à gauche en bas, et son nombre de masse en haut. Pour le neutron, le symbole est n. Le proton peut être écrit
« H » (noyau d’hydrogène) ou « p ».
Pour vérifier l’équation, on doit contrôler que les sommes des nombres atomiques et des nombres de masse soient égales à gauche et à droite.
232Th
90 22888Ra + 42 He forme condensé 23290Th 22888Ra A
27
13 + 42 He 3014Si + 11H forme condensé 2713 A(, p)3014Si
59Co
27 + 01n 6027Co + forme condensé 2759Co (n, )6027Co Exemple : Équilibrer l’équation 178O + 126C 168O + C
Solution : 178O + 126C 168O + 136C
IV. La période d’activité d’une source radioactive
La période radioactive d’un nucléide est le temps nécessaire pour que la moitié de ses noyaux ait subi la désintégration. On l’appelle aussi demi-vie.
Chaque nucléide a une demi-vie propre. Les valeurs de cette demi-vie peuvent varier de quelques nanosecondes à plusieurs milliards d’années.
On peut estimer à tout moment la quantité restante dans l’échantillon dès lors que l’on connaît la quantité originellement disponible, le temps écoulé depuis et la période du nucléide concerné.
Au bout d’une période, on a une quantité restante égale à la moitié de celle disponible et ainsi de suite.
Supposons la demi-vie d’une substance A est de 40 jours.
On a
8
1 = 1
2 13
A restant =
n
2
1 A initial d’où 3 =
40 120
on a donc n =
vie demi
temps
De l’information ci-dessus, on peut écrire la formule suivante : quantité restante =
n
2
1 de la quantité initiale quand n =
2
t1
t
t : temps
2
t1 : demi-vie n = nombre de demi-vie décroissance
Exemple : La demi-vie de la substance radioactive est de 8 jours, combien de jours faut-il pour passer de 20 g à 2,5 g ?
Solution
D’après la formule : quantité restante =
n
2
1 quantité initiale 2,5 g =
n
2
1 20
20 5 , 2 =
n
2 1
8 1 =
n
2 1
1 g 40 jours
2 1 g
4 1 g
8 1 g 40 jours 40 jours
3
2 1
=
n
2
1 n = 3
D’après la formule : n =
2
t1
t
3 =
8
t t = 24 jours Il faut utiliser 24 jours pour qu’il reste 2,5 g
Ces données peuvent être écrites sous forme de schéma suivant :
V. Contrôle des substances radioactives
1) Utiliser de la fluorescence telle que ZnS, placé à proximité de la matière radioactive, s’il apparaît une lumière fluorescente, cela montre que c’est une substance radioactive.
2) Utiliser la pellicule photographique couvre la substance et la maintient dans l’obscurité. Après avoir lavé le film, s’il apparaît la couleur noire sur la pellicule, cela montre que c’est une substance radioactive.
3) Le compteur Geiger-Müller est l’instrument le plus prisé des particules pour mesurer la radioactivité dans un lieu donné.
VI. L’avantage d’utiliser des éléments radioactifs
1) En médecine : Utilisé pour étudier les troubles de divers organes dans le corps en donnant aux patients des aliments ou des médicaments qui ont une petite quantité d'isotopes radioactifs, par exemple :
- l’iode 131 (I-13) sert à surveiller les troubles de la glande thyroïde.
- l’iode 132 (I-132) suivi l’image du cerveau.
- le sodium 24 (Na-24) injecté par voie intraveineuse pour regarder la circulation sanguine.
- le cobalt 60 (Co-60) ou le radium 226 (Ra-226) sont utilisés pour le traitement du cancer.
2) Dans l’industrie : On utilise de l’isotope radioactif pour détecter des fuites dans les pipelines de liquides en mélangeant ces liquides avec des isotopes radioactifs, ensuite, suivi la radiothérapie avec un compteur Geiger-Müller. En outre, on peut aussi utiliser pour mesurer l’épaisseur de la matière lors du passage du rayonnement.
20 g 8 jours 10 g 8 jours 5 g 8 jours 2,5 g
3) Dans l’agriculture : On utilise des isotopes radioactifs pour suivre la durée des minéraux dans les plantes, par exemple, utilisant du phosphore 32 dans la production des engrais ; en outre le rayonnement est également utilisé pour améliorer les variétés de semences qui ont besoin.
4) La préservation des aliments : le cobalt 60 (Co-60) donne des rayons gamma, ce qui est sans effet résiduelle et le rayonnement peut détruire les bactéries, ce qui préserve la nourriture plus longtemps.
5) En géologie : La demi-vie du carbone 14 (C-14) permet de déterminer l’âge des objets antiques.
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1. La substance radioactive B a une demi-vie de 4 jours, après une désintégration successive, il reste une masse de 10 g. Écrire le schéma de la désintégration de la substance B depuis le début de la désintégration radioactive.
2. Au bout de 240 jours, la masse restante d'une substance radioactive est de 150 g ; si la demi-vie de cette substance est 30 jours, déterminer la masse de départ et écrire le schéma de la désintégration de cette substance radioactive.
3. Une substance radioactive de masse 40 g, au bout de 60 jours, il en reste que 1,25 g. Déterminer la demi-vie de cette substance et écrire le schéma de la désintégration radioactive.
4. L’analyse d’un bois montre qu’il contient 10 g du 14C, ce bois quand il est vivant contient 50 g du 14C. Quel est l’âge du bois sachant que la demi-vie de 14C est 1200 ans.
5. Au bout de 8400 ans, un échantillon de 10 g de l’isotope radioactif du carbone 14 (14C) se produit combien de moles de 14N par l’équation
14C
6 147 N + 01e. La demi-vie de 14C est 1200 ans.
6. Écrire complètement les équations nucléaires ci-dessous : a) 94 A + …….. 126 B + 01n
b) 21H + 31 H 42 He + ……….
c) 23892U ………. + 23490Th
d) 23892U + 01n 23993Np + ……….
7. Dans un endroit, on trouve la désintégration d’une substance radioactive A-137 passe de 10 g à 5 g pendant 30 jours, ensuite dans un autre endroit, on trouve que cette substance radioactive A-137 reste 300 g dans 150 jours. Quelle est la quantité de cette substance radioactive au début ? 8. Laquelle des réactions ci-dessous est une réaction de fusion ?
a) 21H + 31 H 42 He + 01n b) 147 N + 11 H 148O + 01n c) 23892U 23490Th + 42 He
d) 23892U + 01n 23993Np + 01e
9. De l’équation : 94 A + …….. 126 B + 01n Quel est l’autre type de particule de départ ?
a) la radiation alpha b) la radiation bêta c) la radiation gamma d) le neutron
10. Le corps A se désintègre en formant B avec l’augmentation du numéro atomique, mais le nombre de masse original ; parmi les propositions ci- dessous, laquelle est correcte ?
a) A est bombardé par alpha b) A émet le rayonnement bêta c) A émet le rayonnement alpha d) A est bombardé par bêta
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