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P3 Cours : Radioactivité
La radioactivité est un phénomène naturel. L’homme et beaucoup d’objets nous entourant sont radioactifs (http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/fr/jeunes/animation/animations/anim_radioactivite_popup.htm)
1. Noyau de l’atome
Les réactions nucléaires (nucleus = noyau en latin) interviennent au niveau du noyau de l’atome (contrairement aux réactions chimiques qui n’ont une action que sur les couches externes des atomes)
1.1. Noyau de l’atome
Le noyau est constitué de ……… et de ………
Les ……… sont électriquement neutre et ont une masse de 1,675 × 10-27 kg
Les ……… portent une charge e = 1,602 10-19 C et ont une masse de 1,673 × 10-27 kg On définit une nouvelle unité de masse noté u.
Définition : L’unité de masse atomique est égale à un douzième de la masse d’un atome de carbone 12 : 1 u = 1,661 × 10-27 kg
Application 1 : Quelle est la masse en unité de masse atomique d’un proton ? d’un neutron ? d’un électron (9,109 × 10-31 kg) ?
1.2. Nucléides
Un nucléide est un type de noyau atomique caractérisé par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient. Un radionucléide est un nucléide radioactif
Exemple : , , sont différents nucléides
1.3. Défaut de masse d’un noyau
Application 2 : Le noyau de lithium a pour masse 7,01637 u
Donner la composition du noyau de lithium.
Quelle est la masse des protons du noyau ?
Quelle est la masse des neutrons du noyau ?
En déduire la masse du noyau à partir de ses constituants ? Comparer à la valeur réelle.
Quel est le défaut de masse de l’atome de lithium Δm ?
Conclusion : Un noyau a une masse qui n’est pas ……… à la somme des masses des protons et neutrons qui le constituent.
P3 Cours : La radioactivité Page 2 Généralisation : défaut de masse pour un noyau : où mp est la masse d’un proton, mn la masse d’un neutron, et mréelle la masse du noyau.
1.4. Energie de liaison
Einstein a donné une interprétation à ce défaut de masse. La masse perdue correspond à de l’énergie libérée. On appelle énergie de liaison l’énergie perdue : où m est la masse en kg, E l’énergie en Joule et c la vitesse de la lumière dans le vide.
Quelle est l’énergie libérée lors de la formation d’un atome de lithium en J ? en MeV ?
Remarque : on peut appliquer la relation d’Einstein en utilisant les unités du système international ou alors en utilisant le fait qu’une masse de 1 u correspond à 931,5 MeV.
Sachant que le défaut de masse de l’uranium 235 est 1,91 u quelle est l’énergie de liaison du noyau d’uranium ? Comparer avec le lithium.
Pour comparer les atomes entre eux on calcule l’énergie de liaison par nucléon .
Calculer l’énergie de liaison par nucléon de l’atome de lithium puis de l’atome d’uranium en MeV/nucléon
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2. Radioactivité
2.1. Définition
On appelle radioactivité l’émission spontanée de particules par certains noyaux.
L’émission de ces particules est parfois accompagnée d’un rayonnement électromagnétique très énergétique appelé rayonnement γ.
Ce phénomène a été découvert par Becquerel en 1896 et étudié par Pierre et Marie Curie au début du XXème siècle.
Les noyaux affectés par la radioactivité sont des noyaux ayant trop de neutrons (radioactivité β-) ou trop de protons (radioactivité β+) ou trop des deux (radioactivité α)
2.2. Radioactivité α (alpha)
La particule émise est un noyau d’hélium .
Application 3 : En utilisant les lois de conservations déterminer le noyau fils du polonium lors d’une désintégration α
2.3. Radioactivité β- (beta moins) La particule émise est un électron .
Application 4 : En utilisant les lois de conservations déterminer le noyau fils du sodium lors d’une désintégration β-
2.4. Radioactivité β+ (beta plus) La particule émise est un positon .
Application 5 : En utilisant les lois de conservations déterminer le noyau fils d’azote lors d’une désintégration β+
Noyau père Noyau fils
Conservation de la charge
Particule α
Conservation du nombre de nucléons
Noyau père Noyau fils
Conservation de la charge
Electron
Conservation du nombre de nucléons
Noyau père Noyau fils
Conservation de la charge
Positon
Conservation du nombre de nucléons
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3. Caractère généraux de la radioactivité.
La radioactivité est un phénomène
spontanée
aléatoire
4. Energie libérée lors d’une désintégration
Lors d’une désintégration on observe une différence entre la masse avant (masse du noyau père) et la masse après (masse du noyau fils + masse de la particule). On note la perte de masse Δm = mréactifs – mproduits La perte de masse indique que la réaction libère de l’énergie Elibérée = Δm×c²
Application 6 :
5. Loi de décroissance radioactive
Un échantillon d’éléments radioactifs voit sa population diminuer à cause de la désintégration de ces éléments. La population décroit suivant une loi appelé loi de décroissance radioactive
5.1. Loi de décroissance radioactive
Si N0 est le nombre de noyaux à l’instant t = 0 alors le nombre de noyaux restants à un instant t quelconque est - où λ est appelé constant radioactive. λ dépend du radionucléide considéré. λ s’exprime en s-1.
Application 7 : L’iode 131 est utilisé dans le traitement des cancers et dans l’imagerie médicale (principe de la scintigraphie). Sa constante radioactive est λIode = 1,0 × 10-6 s-1. Sachant que l’on a injecté une population initiale N0 = 106 radionucléides, déterminer l’effectif de la population au bout de 8 jours, 16 jours, 24 jours etc … et compléter le tableau.
t (jours) 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88
Population, N
Tracer la courbe N = f(t)
P3 Cours : La radioactivité Page 5 5.2. Période radioactive
La période radioactive T est le temps nécessaire à la désintégration de la moitié de la population initiale.
Déterminer graphiquement la période radioactive de l’iode 131 : T = jours = s Calculer et comparer avec T.
On peut généraliser ce résultat à tous les radionucléides : ou 5.3. Activité
L’activité A d’un échantillon est le nombre de désintégration par seconde. Son unité est le Becquerel (Bq).
L’activité d’un échantillon est proportionnel au nombre de noyaux radioactifs. On peut montrer que
Application 8 : Quelle est l’activité au cours du temps de l’échantillon d’iode 131 du 4.1 ?
t (jours) 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88
Activité, A (Bq) Tracer A = f(t)
6. Familles radioactives
P3 Cours : La radioactivité Page 6 Un noyau radioactif peut subir de nombreuses désintégrations successives avant de donner naissance à un noyau stable. L’ensemble des radionucléides qui apparaissent au cours des désintégrations constitue une famille radioactive.
Application 9 : l’uranium 238 donne naissance à du plomb 206 après 8 désintégrations α et 6 désintégrations β-. Sachant que l’ordre des désintégrations est le suivant 1 α , 2 β-, 5 α, 2 β-, 1 α, 2 β-, 1 α écrire les 14
réactions nucléaires et en déduire les 15 radionucléides de la famille.
Cette famille contient les éléments :
