Transformations nucléaires TS Décroissance radioactive 1 Stabilité et instabilité des noyaux Activité 1 L’écriture du noyau d’un atome ZA X permet de connaître immédiatement : Le symbole du noyau soit X, . le nombre de nucléons soit A, Le nombre de neutrons soit A-Z, le nombre de protons soit Z. La charge électrique du proton est La charge électrique du proton est positive et a pour valeur +1,6x10-19 C La charge électrique du neutron est nulle Les neutrons et les protons sont agglutinés les uns aux autres dans le noyau selon le modèle des physiciens. Ces derniers interprètent la stabilité de la plupart des noyaux par l’existence entre ces particules de l’interaction forte. Des noyaux sont isotopes s’ils ont même symbole, même numéro atomique Z, mais des nombres de masses A différents ou même symbole, même numéro atomique Z, mais des nombres de neutrons différents. Activité 2 : de l’atome à la radioactivité. Accéder au site http://www.cea.fr/fr/pedagogie/science.htm# Après avoir visionné l’animation flash « de l’atome à la radioactivité » proposée, rédiger en quelques phrases ce qu’est la radioactivité. La matière est constituée d’atomes, eux-mêmes constitués d’électrons en mouvement autour d’un noyau. Celui-ci contient des protons, des neutrons et sa cohésion est assurée par l’interaction forte. La plupart des atomes sont stables c’est à dire qu’il restent identiques à eux-mêmes. Il existe néanmoins des atomes instables qui se désintègre en donnant un autre atome (plus petit ) et une particule (, - , + ) le tout accompagné d’un rayonnement () Activité 3 : Que deviennent alors les noyaux instables ? Les noyaux instables se transforment en noyaux plus stables après expulsion soit o d’un noyau d’hélium, c’est la radioactivité o d’un électron , c’est la radioactivité o d’un positon, c’est la radioactivité + Ces trois types d’émission s’accompagnent généralement de l’émission d’un rayonnement électromagnétique de très courte longueur d’onde , le rayonnement . Au cours d’une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et conservation du nombre de nucléons. -1- Transformations nucléaires TS Une réaction nucléaire peut-être modèlisée par une équation qui obéit aux lois de conservation ( nombre de charge et nombre de nucléons). On considère un noyau instable « noyau père » se désintègre en son descendant « noyau fils » o Radioactivité α. A Z A ZX qui A' Y . Z' 1 0n 1p 1 0e 1 0e 1 X Y He Soit A’=A-4 et Z’=Z-2 A' Z' 4 2 A Z D’où o Radioactivité - o Radioactivité + En physique nucléaire , on note : XZA42Y24He un neutron un proton un électron un positon 4 He une particule 2 (le positon est l’antiparticule de l’électron, de même masse et de charge élémentaire positive.) XZ A1YO1e O A A Z XZ 1Y 1e A Z Activité 4 : La vallée de stabilité Ouvrir le logiciel « Nucléus ». vous disposez alors du diagramme ( N, Z ) où l’ensemble des noyaux connus est référencé. Le numéro atomique Z de chacun est porté en ordonnée et le nombre de neutrons en abscisse. Chaque noyau est repéré par un rectangle de couleur. Les noyaux stables sont en noir et définissent ce que l’on appelle « la vallée de stabilité ». Pour Z < 20, les noyaux stables ont des nombre de protons et de neutrons voisins Z). Pour Z > 20, le nombre de neutrons est supérieur au nombre de protons. Les noyaux stables se situent au dessous de la droite N = Z. o Le noyau Ba est stable car sa case est noire. Ba est radioactif - car sa case bleu Ba est radioactif + car sa case orange 144 56 131 56 137 56 (N o Les gros noyaux (Z > 68 ) situés au-dessus de la vallée de stabilité ( plus de protons) sont émetteurs de radioactivité ; il y a cependant des petits noyaux aussi ( ex 48 Be ou entre les deux isotopes de Te 106 52 Te ……) o Les émetteurs de radioactivité - sont tous les atomes situés sous la vallée de stabilité (en bleu ). Les émetteurs de radioactivité + sont tous les atomes situés au-dessus de la vallée de stabilité ( en orange ). o On considère un noyau de terbium 161 65 Tb situé sous la vallée de stabilité donc instable et radioactif -. Equation de désintégration : 65T66Dy1e Le noyau fils Dy (dysprosium) est stable car dans la vallée de stabilité. 161 161 -2- O Transformations nucléaires o Le noyau 162 67 Ho TS est situé au-dessus de la vallée de stabilité et sa case est orange, il est donc radioactif + 162 O Equation de désintégration : 162 67 Ho 66 Dy 1e Le noyau fils Dy (dysprosium) est stable car dans la vallée de stabilité. Le noyau 174 72 Hf est au-dessus de la vallée de stabilité mais sa case est jaune il est donc radioactif α . 170 4 Equation de désintégration : 174 72 Hf 70Yb2He Le noyau fils Ytterbium est stable car dans la vallée de stabilité. o Lors d’une désintégration un atome cherche à « tomber » dans Suivant leurs types de radioactivités deux atomes différents peuvent donner un même atome Activité 5 : La famille radioactive de l’uranium 238 Le noyau fils obtenu par transformation radioactive d’un noyau père, peut être lui même radioactif, se désintégrer à son tour et ainsi de suite. -3- Transformations nucléaires TS L’uranium 238 et ses descendants (famille radioactive naturelle de l’uranium 238) : Matériaux de croûte 238 U 92 234 92 234 90 234 91 U Pa Th 230 90 Th Ra 226 88 222 86 Gaz Radon Rn 218 84 214 84 Po 214 83 214 82 Pb 210 84 Po Bi 210 83 210 82 Pb Bi 206 82 -4- Po Pb Transformations nucléaires TS 2 De quelle manière le nombre de noyaux d’une source radioactive diminue-t-il ? Activité 6 : Comment estimer l’âge de vestiges anciens ? 1. Il provient d’une désintégration de l’azote rayons cosmiques. 2. 6 protons et 8 neutrons. 14 N 7 suite au bombardement par les O 14 3. Radioactivité -. 14 6C 7 N1e . 4. On a m ( 146C ) = p ( 146C ) . m (C) D’où No ( 146C ) A.N : N0 ( 146C ) Na.p(146C).m(C) M(C) 6,02x1023x1,2x1014 x1 =6,02x108 12 ………………………………………………………….BILAN……………………………………………………………………….. 5. Evolution de la population d'atome de carbone 14 N = 6,08+08e-0,6931t 8,00E+08 N 6,00E+08 4,00E+08 Exponentiel (N) 2,00E+08 10 T 8T 6T 4T 0,00E+00 2T N 6,08E+08 3,04E+08 1,52E+08 7,60E+07 3,80E+07 1,90E+07 9,50E+06 4,75E+06 2,38E+06 1,19E+06 5,94E+05 0 Temps 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 6. La fonction exponentielle semble être la plus adaptée. N= N0 . exp ( -t/N0 . exp ( - .t Avec N0 le nombre d ‘atomes initials, constante de temps du noyau en année et constante de désintégration Ln2/T en année-1 . 7. Évaluer l’âge d’un charbon de bois pour lequel N/N0 = 0,13. exp ( - .t exp ( - Ln2.t/T ) = 0,13 soit t= - T. ln 0.13 ln 2 t = - 11 140 x ln 0.13 ln 2 t= 32 790 ans -5-