Exposés radioactivité
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Thème : Comprendre Première S Exposé : La découverte de la radioactivité naturelle Objectifs : Comprendre les expériences qui ont permis la découverte de la radioactivité naturelle Compétences travaillées : APP : Extraire des informations d’un document ANA : Analyser les données COM : Communiquer à l’écrit et à l’oral APP ANA COM DOCUMENTS A VOTRE DISPOSITION Document 1 : Note à l’Académie des Sciences, écrite en 1896 par Henri Becquerel « Une plaque photographique a été enfermée dans un châssis opaque, fermé d’un côté par une plaque d’aluminium : si l’on exposait le châssis en plein soleil, la plaque ne serait pas voilée. Cependant, si l’on vient à fixer sur la plaque d’aluminium, à l’extérieur, une lamelle du sel d’uranium et si l’on expose le tout pendant plusieurs heures au soleil, on reconnaît, lorsqu’on développe ensuite la plaque par des procédés ordinaires, que la silhouette de la lamelle cristalline apparaît en noir sur la plaque sensible. Parmi les expériences qui précèdent, quelques-unes avaient été préparées le mercredi 26 et le jeudi 27 février. J’avais conservé les expériences toutes préparées et rentré les châssis à l’obscurité en laissant en place les lamelles du sel d’uranium. Le soleil ne s’était pas montré les jours suivants, j’ai développé les plaques photographiques le 1 er mars, en m’attendant à trouver des images très faibles. Les silhouettes apparurent, au contraire, avec une grande intensité. » Animation à cette adresse : http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/physique-chimie/decouverte-de-la-radioactivite Document 2 : L’une des plaques photographiques d’Henri Becquerel, sur laquelle on reconnaît les contours d’une croix en cuivre, disposée sous la lamelle contenant les sels d’uranium (http://www.laradioactivite.com/fr/site/images/CroixMalte260.jpg) Document 3 : Notes de Pierre Curie, écrites en 1898 Pierre Curie Marie Sklodowska-Curie [...] [...] [...] Document original à l’adresse : http://www.academie-sciences.fr/activite/archive/dossiers/Curie/Curie_publi.htm Document 4 : Rayonnement spontané de l’uranium et d’autres substances. Texte professé à la 2e division en 1904 et distribué aux élèves TRAVAIL A EFFECTUER Vous ferez un exposé oral de 5 min à 10 min maximum prenant appui sur un diaporama. Vous y expliquerez les découvertes successives effectuées par Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie. Guide à la réflexion : Documents 1 et 2 : 1. Décrivez l’expérience de Becquerel. 2. La lumière est-elle susceptible d’impressionner la plaque photographique ? 3. D’où provient le rayonnement responsable de la « silhouette noire » dans ce cas ? 4. Henri Becquerel pense que ce rayonnement a été émis sous l’influence de la lumière du Soleil : sa première expérience est-elle compatible avec cette hypothèse ? 5. Pourquoi les plaques développées le 1er mars montrent-elles le contraire ? 6. Interprétez l’image obtenue avec la croix en cuivre. Document 3 : 7. Cherchez ce qu’est la pechblende. 8. Faites une brève biographie de Pierre et Marie Curie. 9. Cherchez l’origine du mot « radioactivité ». Proposez une définition du terme « substance radioactive ». Documents 3 et 4 : 10. Résumez les découvertes de Pierre et Marie Curie à partir des documents 3 et 4. 11. A partir du document 4, détaillez les 3 types de rayonnement radioactifs qui étaient connus en 1905. Vous expliquerez quelles particules sont responsables des émissions α et β. Thème : Comprendre Première S Exposé : Irène et Frédéric Joliot-Curie à la conquête de la radioactivité artificielle Objectifs : Comprendre les expériences qui ont permis la découverte de la radioactivité naturelle Compétences travaillées : APP : Extraire des informations d’un document ANA : Analyser les données COM : Communiquer à l’écrit et à l’oral APP ANA COM DOCUMENTS A VOTRE DISPOSITION Document 1 : Extrait de la conférence Nobel de Frédéric Joliot, le 12 décembre 1935 « Si nous pouvons écrire avec certitude la réaction nucléaire correspondant à la plupart des transmutations spontanées, il n’en est pas de même pour les transmutations provoquées. On peut cependant déduire la nature des atomes formés avec une assez grande sécurité en admettant, pour écrire la réaction nucléaire correspondante, qu’il y a d’une part conservation du nombre de masse, d’autre part conservation du nombre de charge nucléaire entre les éléments réagissant et les éléments formés. C’est ainsi que le noyau d’aluminium capturant un hélion [ndlr : noyau d’hélium, aussi appelé particule α] doit se transformer en silicium lorsqu’il y a émission d’un proton : 27 13 30 Al 24He 14 Si 11H 27 + 4 = 30 + 1 13 + 2 = 14 + 1 » Frédéric Joliot et Irène Joliot-Curie à la conférence Nobel de 1935 Document 2 : Extrait de « Histoire de l’atome », par Pierre Radvanyi, Directeur de recherche honoraire au CNRS « Frédéric et Irène Joliot-Curie observèrent en 1933 que le bombardement d’une feuille d’aluminium par des particules α pouvait donner lieu à des réactions nucléaires. L’une d’elles aboutissait à l’émission de neutrons et d’électrons positifs, qu’ils crurent d’abord être émis dans la réaction nucléaire elle-même. Cependant, les deux physiciens découvrirent en janvier 1934 que l’émission de positons [ndlr : les électrons positifs] n’était pas instantanée. Le processus comportait donc deux étapes : dans la première était formé dans l’aluminium (après émission de neutrons) un isotope radioactif du phosphore qui n’existait pas dans la nature, dans la seconde, ce phosphore 30 radioactif se désintégrait en silicium 30 stable par l’émission de positons. Le nouveau phénomène fut appelé « radioactivité artificielle ». Il s’agissait de plus d’un nouveau type de radioactivité, par émission d’électrons positifs. » Document 3 : Schéma de l’expérience de Frédéric et Irène Joliot, qui leur a permis d’identifier la présence d’un isotope radioactif du phosphore TRAVAIL A EFFECTUER Vous ferez un exposé oral de 5 min à 10 min maximum prenant appui sur un diaporama. Après avoir fait une brève biographie de Frédéric et d’Irène Joliot-Curie, vous détaillerez leurs découvertes. Vous expliquerez la différence entre radioactivité naturelle et artificielle et vous donnerez une définition de ce qu’est la désintégration β+. Guide à la réflexion : 1. Quelle partie de l’atome réagit lors d’une réaction nucléaire ? 2. Une transmutation est un changement d’élément lors d’une réaction nucléaire. Quelle est la différence entre une transmutation spontanée et une transmutation provoquée ? 3. Quelles sont les lois de conservation vérifiées lors d’une réaction nucléaire ? 4. Donnez la notation symbolique d’un noyau de phosphore 30, de silicium 30 et de la particule α. 5. Ecrivez l’équation de capture par l’aluminium 27 13 Al de « l’hélion » (qu’on appelle aussi particule α), qui conduit à l’expulsion instantanée du neutron et à la formation du phosphore 30. 6. Ecrivez l’équation de la désintégration β+ du phosphore 30 en silicium 30. Vous proposerez un symbole pour le positon (« électron positif »). 7. Expliquez pourquoi la radioactivité du phosphore 30 peut être considérée comme artificielle. 8. Vérifiez l’équation proposée par Frédéric Joliot au document 1. Thème : Comprendre Première S Exposé : La lutte contre le cancer Objectifs : Comprendre les expériences qui ont permis la découverte de la radioactivité naturelle Compétences travaillées : APP : Extraire des informations d’un document ANA : Analyser les données COM : Communiquer à l’écrit et à l’oral APP ANA COM DOCUMENTS A VOTRE DISPOSITION Document 1 : Un examen médical, la scintigraphie thyroïdienne La thyroïde est une glande, située dans la région cervicale antérieure, appliquée contre le larynx et la partie supérieure de la trachée. La fonction principale de cette glande est la sécrétion des hormones thyroïdiennes à partir de l'iode alimentaire qui se fixe temporairement sur cette glande. De petite taille, pesant 15 à 25 g chez l'adulte et mesurant environ 4 cm en largeur et 3 cm en hauteur, elle n'est normalement pas, ou à peine, palpable. Mais elle peut s'hypertrophier, soit de manière plus ou moins diffuse et homogène, soit de manière localisée avec la formation de nodule(s). Ces nodules peuvent principalement être de deux sortes : hypofixant ou hyperfixant. Ils sont dits hypofixants s'ils fixent peu d'iode par rapport au reste de la thyroïde. Inversement, ils sont dits hyperfixants s'ils fixent plus d'iode que le reste de la thyroïde. La scintigraphie [...] permet de déceler des nodules de la thyroïde. Lors d’une scintigraphie, une image de l'organe étudié est reconstituée. Document 2 : Extrait d’une interview de Pierre Radvanyi, directeur de recherche honoraire au CNRS « Un peu d’isotope radioactif (appelé traceur ou indicateur) est ajouté aux isotopes stables d’un élément. L’isotope radioactif se comportera, chimiquement et biologiquement, comme les isotopes stables. Il peut être inclus dans une molécule organique (molécule marquée). Il est possible alors, grâce à son rayonnement, d’étudier dans un corps vivant, le métabolisme (fixation, élimination, etc.) de l’élément considéré. Ainsi, un élément radioactif artificiel, le fluor 18, est incorporé à une solution de glucose. Les cellules cancéreuses, à forte activité, ont besoin d’énergie et fixent la solution. Les positons émis par la radioactivité β+ du fluor vont, en rencontrant des électrons, émettre des photons γ, visibles sur le cliché, et permettant de localiser les cellules cancéreuses ». Document 3 : Photographie du bras de Pierre Curie, brûlé par du sel de radium appliqué pendant 10h Document 4 : Extrait d’un cours sur la radioactivité Il existe différents types de désintégrations radioactives, parmi lesquelles la radioactivité β+, qui concerne les éléments ayant un trop grand nombre de protons. Dans ce cas, les noyaux se désintègrent en émettant un positon 0 1 e , accompagné d’un neutrino. Ex : la désintégration du phosphore 30 30 15 30 P14 Si 10 e 00 e TRAVAIL A EFFECTUER Vous ferez un exposé oral de 5 min à 10 min maximum prenant appui sur un diaporama. Vous y expliquerez l’utilisation d’éléments radioactifs pour l’imagerie médicale (scintigraphie) et pour le traitement des cancers (curiethérapie). Guide à la réflexion : 1. L’organisme assimile-t-il différemment les isotopes stables et instables ? 2. Ecrivez la notation symbolique du fluor 18 et de l’oxygène 18 puis déduisez-en l’équation de désintégration du fluor 18. 3. Allez sur le site : http://caeinfo.in2p3.fr/IMG/flash/anims/appmedi/scinti/animScintigraphieFinal.swf a) Expliquez le fonctionnement de la scintigraphie b) Quel est le type de rayonnement détecté ? Donnez un ordre de grandeur de son énergie. 4. Les éléments radioactifs ne servent pas uniquement à l’imagerie médicale : on les utilise aussi pour le traitement de certains cancers. a) Expliquez le principe de la curiethérapie avec les sites suivants : http://www.doctissimo.fr/html/dossiers/cancer/articles/9547-curietherapie-traitements-du-cancer.htm http://www.gustaveroussy.fr/fr/page/iode-radioactif_184 b) Quels sont ses avantages par rapport à la chimiothérapie ? c) Pourquoi doit-on rester quelques jours à l’hôpital quand on subit une curiethérapie utilisant de l’iode 131, alors que pour une scintigraphie utilisant de l’iode 123, ce n’est pas le cas ? Un dossier très complet sur la radioactivité ici : www.cea.fr/content/download/4676/27822/file/livret-radioactivite.pdf Thème : Comprendre Première S Exposé : Centrales nucléaires et projet ITER, bientôt une énergie propre ? Objectifs : Comprendre les expériences qui ont permis la découverte de la radioactivité naturelle Compétences travaillées : APP : Extraire des informations d’un document ANA : Analyser les données COM : Communiquer à l’écrit et à l’oral APP ANA COM DOCUMENTS A VOTRE DISPOSITION Document 1 : Répartition de la production d’électricité en fonction de la ressource énergétique, en France et dans le monde, en 2008 Charbon Fioul Gaz naturel Nucléaire Hydraulique Géothermie, solaire, bois, déchets Dans le monde (%) 41 5.5 21.3 13.5 15.9 2.8 En France (%) 3.3 1.6 3.2 85.7 5 1.2 Document 2 : La centrale nucléaire de Penly, mise en service en 1990 Puissance totale : 2 600 MW Combustible : Uranium 235 Les barres de contrôle, faites de bore ou de cadmium, peuvent plonger au cœur du réacteur pour ralentir, voire stopper la fission, si c’est nécessaire. Document 3 : Article du Figaro, publié le 17 janvier 2013, à propos du projet ITER La fusion nucléaire est la réaction qui fait briller le Soleil et les étoiles. Elle se produit au cœur de ces astres quand la matière atteint, sous l'effet de la gravitation, des températures très élevées (de l'ordre de 100 millions de degrés Celsius!). Dans ces conditions extrêmes, les noyaux des atomes, en général des isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium), fusionnent pour donner de l'hélium. [...] Reproduire cette réaction sur Terre, pour fournir de l'énergie en continu, revient ni plus ni moins à mettre le Soleil en boîte… Un défi énorme que les physiciens tentent de résoudre de deux façons: soit en portant la matière à très haute pression et à très haute température pendant quelques fractions de seconde, comme c'est le cas à la National Ignition Facility (États-Unis) ou au Laser Mégajoule, près de Bordeaux, soit en la confinant sous forme de plasma pendant un temps très long dans un champ magnétique circulaire, en forme de tore (ou tokamak), extrêmement puissant. C'est cette seconde voie qui a été choisie par le projet Iter. Beaucoup moins de déchets La première fusion contrôlée a été réalisée en 1991 au Joint European Torus, ou JET, près d'Oxford (Angleterre). Le record d'énergie produite de 22 mégajoules a été obtenu sur cette installation six ans plus tard. Lancé en 2006 par l'Union européenne, le Japon, la Chine, la Russie, les États-Unis, la Corée du Sud et l'Inde, Iter vise une puissance de 500 mégawatts électriques pour 50 mégawatts injectés. De quoi disposer d'une source d'énergie quasi illimitée, générant beaucoup moins de déchets que la fission de noyaux d'atomes lourds (uranium, plutonium) utilisée dans les réacteurs actuels. Nul ne sait si l'objectif sera atteint ni quand nos centrales électriques fonctionneront avec l'énergie des étoiles. Vraisemblablement pas avant 2050… TRAVAIL A EFFECTUER Vous ferez un exposé oral de 5 min à 10 min maximum prenant appui sur un diaporama. Après avoir donné la définition de la fission et de la fusion nucléaires, vous comparerez les énergies libérées par ces réactions afin d’expliquer les choix énergétiques faits par la France. Dans un second temps, vous étudierez les produits de la fission et de la fusion et vous expliquerez comment s’effectue le traitement des déchets radioactifs. Guide à la réflexion : 1. La fission d’un noyau d’uranium 235 dégage une énergie de 200 Mev environ. Calculez l’énergie libérée par 1g d’uranium 235 (soit 2,562.1021 noyaux) et comparez-la à l’énergie libérée par la combustion d’une tonne de pétrole, soit 1 tep = 4,18.1010 J. 2. Ecrivez l’équation de la réaction subie par un noyau d’uranium 235, absorbant un neutron ( 01 n ), sachant qu’elle 90 produit un noyau de baryum 144 ( 144 56 Ba ), un noyau de krypton 90 ( 36 Kr ) et des neutrons. 3. Déduisez-en pourquoi les réactions de fission de noyaux d’uranium vont en croissant. Comment appelle-t-on une telle réaction ? 4. Expliquez en quoi l’utilisation de barres de contrôle permet d’éviter que la réaction ne s’emballe. 5. Recherchez comment on gère les déchets radioactifs formés lors de la fission de l’uranium. 6. Donnez le symbole des noyaux de deutérium ou de tritium puis écrivez l’équation de la réaction de fusion. 7. En septembre 2013, Geneviève Fioraso, Ministre de l’Enseignement et de la recherche, se disait en faveur de ce projet, qui utilise une énergie « décarbonée » et propre. Détaillez-en les raisons. 8. Calculez la masse de chaque noyau Données : mneutron = 1,67493×10−27 kg, mproton = 1,67262×10-27 kg 9. Déduisez-en la masse Δm perdue lors de la réaction de fusion, puis l’énergie libérée que vous calculerez grâce à la relation E = │Δm│ . c2 (E : énergie libérée en J, Δm : variation de masse en kg, c : célérité de la lumière = 3,00.108 m.s-1)
