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Sommaire
Décroissance radioactive
Composition d'un noyau
La composition du noyau a été découverte par Rut Herford en 1911 (15 ans après les électrons). Le noyau est chargé positivement car on sait qu’un atome est électriquement neutre. Une grande partie de la masse de l’atome se trouve dans le noyau. Le noyau est aussi appelé nucléide et il est constitué de nucléons (neutrons + protons). On a donc la relation suivante :
La charge du neutron est nulle.
Z s’appelle le numéro atomique ou nombre de charges.
Représentation :
Isotopes
On appelle élément chimique, l’ensemble des entités chimiques ayant le même numéro atomique. Le symbole X représente soit l’élément ou le noyau appartenant à l’élément. Il existe environ 100 éléments chimiques avec 90 naturels et 20 artificiels. Dans un élément chimique, le numéro atomique est toujours identique donc les isotopes diffèrent par leur nombre de nucléons (A).
Un élément naturel est un mélange d’isotopes dont l’abondance est constante.
Les isotopes du même élément ont les mêmes propriétés chimiques mais ils n’ont pas les mêmes propriétés nucléaires. On connaît 1500 noyaux différents dont 260 qui sont stables. Les autres sont dits radioactifs.
Stabilité des noyaux : Diagramme de Segré
Un noyau stable ne possède pas de tendance naturelle à se transformer. Ils sont donc non radioactifs.
L’ensemble des noyaux stables est tangent à la courbe N = Z jusqu’à Z = 20. Ensuite N devient plus grand que Z.
Les neutrons séparent les protons. Aucun noyau avec Z > 83 n’est stable.
Les autres ont tendance à devenir stable par transformation nucléaire de protons ou de neutrons.
Réactions nucléaires
Définition et analyse du rayonnement
Certains nucléides se transforment au cours du temps avec émission d’un rayonnement. Ces noyaux sont donc instables. La réaction est une désintégration.
Analyse et détection du rayonnement
Le rayonnement impressionne une plaque photo. Il provoque un scintillement et une certaine résistance. Le rayonnement radioactif irrigue les gaz. L’analyse du rayon se fait par l’étude de la déviation des particules dans un champ électrique.
Il existe trois types de rayonnement : alpha, beta et gamma
- Le rayonnement α est chargé positivement
- Le rayonnement β est chargé négativement
- Le rayonnement γ est chargé d’un rayonnement électromagnétique comme la lumière
Différents types de radioactivités
Au cours d’une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons.
On distingue 3 types de rayonnements correspondant à 3 formes de radioactivité.
Radioactivité α
Elle concerne les métaux lourds. Un noyau d’hélium est une particule α.
Le noyau fils a deux protons de plus mais deux neutrons de moins.
Radioactivité β moins
Elle concerne les noyaux qui ont trop de neutrons. Un électron est une particule β moins.
Le noyau fils a un proton de plus mais un neutron de moins.
Radioactivité β plus
Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons. On a une émission de positrons.
Radioactivité γ
Les rayonnements α et β laisse le noyau fils dans un état excité (plein d’énergie). Ils retrouvent donc leur stabilité en émettant un rayonnement électromagnétique γ de très courte longueur d’onde. Son rayonnement est donc très énergétique.
Remarque :
Les radioactivités β sont complexes. Elles ne semblent pas respecter le principe de conservation de l’énergie. En 1933, Pauli a eu l’idée d’une émission d’autres particules dont on ignore si elles ont une masse.
Loi de décroissance radioactive
Le caractère aléatoire de la désintégration
La probabilité de désintégration pendant une durée très petite est indépendante de son histoire. Un noyau meurt sans vieillir. Son comportement est sans influence sur ses voisins. Donc il est impossible d’étudier le comportement d’un noyau mais il est possible d’étudier le comportement d’un ensemble de noyaux car ce dernier obéit à une loi statistique : c’est la loi de décroissance radioactive.
Loi de décroissance radioactive
Soit
Avec λ constante radioactive en s -1
C'est une décroissance exponentielle
La constante de temps : demi-vie
Calcul du temps de demi-vie
L'activité d'un noyau
L’activité d’un échantillon A à une date t contenant N noyaux radioactifs est définie comme le nombre de noyaux qui se désintègrent par seconde. L’unité est le Becquerel (Bq).
Un échantillon est d’autant pus dangereux que son activité est grande.
L’activité n’est pas une caractéristique d’un noyau.
L’activité évolue selon une loi exponentielle.
Différentes sources de radioactivité sur Terre :
- On distingue la radioactivité naturelle (isotopes) qui n’est pas dangereuse. On ne comprend pas pourquoi il y a des radionucléides de période de demi-vie courte. Un radionucléide se désintègre en cascade. Une famille radioactive est formée du noyau père et de ses descendants.
- Il existe une radioactivité avec formation du carbone 14 sous l’action des rayons cosmiques. C’est une radioactivité artificielle et donc très dangereuse.
La datation au carbone 14 (14C)
Cette méthode de datation permet de dater des objets qui contiennent du carbone. Tans que l’organisme est vivant, il échange avec l’extérieur et le rapport 12C et 14C reste constant. Dès que l’organisme meurt, le 14C se désintègre et la proportion de 12C et 14C diminue. Cependant, cette technique n’est valable que pour des périodes inférieures à 35 000 ans.
Pour plus d'informations sur la datation au carbone 14, consultez le cours sur la datation relative et absolue.
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