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1 L LA RADIOACTIVITÉ Enjeux énergétiques planétaires 3 1. Les noyaux atomiques

1 L LA RADIOACTIVITÉ Enjeux énergétiques planétaires 3 1. Les noyaux atomiques 1.1. Quelques définitions En vous servant de vos connaissances, compléter le texte suivant : L’ atome est formé d’un …..……… et d’ ……..…… qui gravitent autour. Le noyau est chargé ………… , les ……..…… négativement. L’atome est électriquement ……………. . Le noyau est assimilable à une ……..…… dont le diamètre est de 10000 à 100000 fois plus ………..… que celui de l’atome, mais il renferme la quasi totalité de la masse de l’atome ( plus de 99,9 %). Le noyau renferme des ………..… et des ……..…… qui ont des ……..…… voisines de 1,67.10-27 kg. Le ………..… porte une charge …………… positive de valeur 1,6.10-19 C. Le …………… ne porte pas de charge électrique. Les protons et les neutrons, comme constituant du noyau, sont appelés les …………… . Z, numéro ……….. ;… , correspond au nombre de …………… contenus dans le noyau. …… , nombre de masse, correspond au nombre de …………… contenus dans le noyau. Le nombre de neutrons contenus dans le noyau s’obtient par …………… ; il vaut …………. . Un nucléide regroupe un ensemble d’atomes possédant des noyaux identiques. Il est caractérisé par les deux nombres …………. et ………… . On le note ………… où X est le symbole de l’ ………… correspondant. On appelle ………………, des nucléides qui ont même Z mais qui diffèrent par leurs valeurs de A. Exemple : C 12 6 C 13 6 C 14 6 Deux nucléides …..……. ont même nombre de …..…… ; , ils différent par leurs nombres de ……………. . Ils Ont des propriétés chimiques identiques mais des propriétés physiques très différentes : l’un peut être stable alors que l’autre ne l’est pas. La stabilité dépend du nombre de nucléons. 1.2. Exercice d’application On donne les nucléides suivants identifiés par A ZX : 94 38X 139 54X 235 92X 95 38X 140 54X 238 93X 238 92X 1°/ Déterminer les nucléides isotopes. 2°/ En utilisant le tableau extrait de la classification périodique des éléments, identifier parmi les nucléides cités ceux qui sont isotopes de l’uranium U. Th 90 Pa 91 U 92 Np 93 Pu 94 3°/ Écrire les symboles des nucléides correspondants et préciser la composition de leur noyau respectif. 4°/ Quel est l’isotope le plus léger ? 5°/ L’isotope le plus léger représente 0,7 % de l’uranium naturel, l’autre 99,3 %. Si l’on dispose de 2000 noyaux d’uranium naturel, combien de noyaux lourds a-t-on ? Combien de noyaux légers a-t-on ? Page 1 sur 7 2. La radioactivité 2.1. Une surprise pour un physicien de la fin de XIX ème siècle En 1896, le physicien français Henri Becquerel (1852-1908) avait rangé sa plaque photographique près de sels d'uranium qu'il était en train d'étudier. Quelle ne fut pas sa surprise quand il s’aperçut que le film photographique avait été impressionné sans avoir été exposé à la lumière. Il en déduit que l'uranium émettait des rayonnements invisibles ressemblant aux rayons X découverts, l’année précédente, par Wilhelm Roentgen, physicien allemand, et découvre ainsi la radioactivité. Marie Curie (1867-1934) et Pierre Curie (1859-1906) se consacrent à l’étude de la radioactivité et découvrent deux corps radioactifs : le radium et le polonium. Ces travaux leur valent la prix Nobel de physique en 1903, qu’ils partagent avec Henri Becquerel. Marie Curie obtient encore le prix Nobel de chimie en 1911. 2.2. Qu’est-ce-que la radioactivité ? Dans la nature, la plupart des noyaux d’atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables. Un noyau instable se désintègre : il se transforme spontanément en un autre noyau en émettant des rayonnements et de l’énergie : c’est ce qu’on appelle la radioactivité naturelle. Elle peut être artificielle lorsque l'on bombarde les noyaux des atomes. Les éléments constitués d’atomes ayant des noyaux instables sont des éléments radioactifs ou radioéléments. Des éléments radioactifs existent dans la nature ; le plus connu est que l’on extrait de certains gisements miniers mais qui se trouve à l’état de traces dans presque tous les sols. D’autres, moins connus sont pourtant très répandus dans la nature : c’est le cas du potassium K 40 que l’on trouve dans presque tous les organismes vivants. Il existe des éléments radioactifs qui sont produits artificiellement, en particulier dans les centrales nucléaires : c’est le cas de l’iode I 131 , du césium Cs 137 et du plutonium Pu 239 . L’énergie produite par une désintégration radioactive peut être utilisée à différentes fins : Un échantillon radioactif se caractérise par son qui se produisent en son sein. L'unité d'activité est le . 2.3. Quelle est la nature des rayonnements radioactifs ? Lors de sa désintégration, un noyau peut émettre différents types de rayonnements :  le rayonnement alpha () :  le rayonnement bêta () : On distingue deux types de rayonnements  : o le rayonnement +  : o le rayonnement -  :  le rayonnement gamma () : Page 2 sur 7 Page 3 sur 7 2.4. Comment détecter un rayonnement radioactif ? Du fait de leurs effets néfastes, il est absolument nécessaire de détecter les rayonnements radioactifs. Pour ce faire, il existe plusieurs dispositifs dont le plus connu est le compteur Geiger- Muller. Il émet un crépitement à chaque désintégration et compte le nombre de désintégrations pendant une durée donnée. Dans un laboratoire de physique de lycée, on a l’habitude d’utiliser un compteur Geiger-Muller, le CRAB, associée à une source radioactive de césium 137 émettrice de rayonnement -  et . Expérience (professeur) : Effectuer des comptages successifs sur une durée de 10 s lorsque la source est à 4,5 cm du détecteur. Observations : Conclusion : 2.5. Les particularités de la radioactivité. Pour un élément radioactif, la désintégration est un phénomène :      2.6. Comment se protéger d’un rayonnement radioactif ? La protection contre les rayonnements radioactifs met en jeu des stratégies d’absorption. Il faut donc s’interesser à leur pouvoir de pénétration dans la matière. Ce pouvoir n’est évidemment pas le même pour les trois types de rayonnements, il augmente en passant des rayons  aux rayons  . Le rayonnement  est peu pénétrant, il est absorbé et peut être stoppé par une feuille de papier. Qu’en est-il des rayonnements  et  ? Expérience1 : On utilisera le CRAB et ses écrans d’aluminium. Placer la source à 4,5 cm du détecteur. Intercaler des écrans d’aluminium d’épaisseur croissante allant jusqu’à 4 mm. Effectuer, pour chaque épaisseur, un comptage d’une durée de 10 s chacun. Pour chaque comptage, noter la valeur n du nombres de désintégrations obtenues et compléter le tableau de mesures dans la feuille Excel « Radioactivité ». Interprétation des résultats : Que peut-on dire de l’influence des écrans d’aluminium sur l’absorption des rayonnements ? Quel est le rayonnement absorbé par l’aluminium ? A quoi correspondent les « désintégrations » détectées pour e = 4 mm ? Page 4 sur 7 Quelle est l’épaisseur d’aluminium capable de stopper le rayonnement -  ? Expèrience 2 : Placer la source à 4,5 cm du détecteur. Intercaler des écrans de plomb d’épaisseur croissante allant jusqu’à 20 mm en plus d’un écran d’aluminium de 1 mm. Effectuer, pour chaque épaisseur, un comptage d’une durée de 10 s chacun. Pour chaque comptage, noter la valeur n du nombres de désintégrations obtenues et compléter le tableau de mesures dans la feuille Excel « Radioactivité ». Interprétation des résultats : Que peut-on dire de l’influence des écrans de plomb sur l’absorption du rayonnement  ? Le rayonnement  est-il stoppé par le plomb au même titre que le faisait l’aluminium pour le rayonnement -  ? c) Conclusion    2.7. La décroissance radioactive L'activité d'un échantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instables qu'il contient. La désintégration radioactive d'un noyau donné est un : L’instant de la désintégration d’un noyau est indéterminé mais, cependant, on peut définir pour chaque isotope radioactif A partir de l’illustration ci-dessous où chaque cercle coloré représente un noyau radioactif encore présent, donner la définition de la période radioactive T ou demi-vie. Page 5 sur 7 Définition : 10 20 30 40 50 60 70 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 t (unité de temps) N/N0 T 3T 2T 4T Loi de décroissance radioactive N = f (t) (période) : durée au bout de laquelle la moitié des noyaux se sont désintégrés T N/N0 : nombre de noyaux restant en fraction du nombre initial 1/8 1/16 1/4 1/2 Selon les atomes radioactifs concernés, cette période ou demi-vie est très variable : quelques secondes, quelques heures, plusieurs jours, des centaines d'années ou des milliards d'années. (voir tableau) Page 6 sur 7 Échantillon radioactif au départ Au bout d’une période Au bout de deux périodes Au bout de trois périodes Échelle du temps PÉRIODES OU DEMI-VIES DE QUELQUES CORPS RADIOACTIFS (CEA) ÉLÉMENTS CHIMIQUES PÉRIODE RADIOACTIVE ORIGINE PRÉSENCE EXEMPLES D’UTILISATION Tritium 12,3 ans Artificielle – Fusion thermonucléaire Marquage biologique Carbone 11 20,4 minutes Artificielle – Imagerie médicale uploads/Finance/ 1-sec-ch-2-3-4-5-6.pdf