Radioactivités Cours LS-1 - Poly

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POLY-PREPAS
Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux
- Sections : L1 Santé / L0 Santé -
Olivier CAUDRELIER
oc.polypr[email protected]

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SOMMAIRE
Partie A : Loi de décroissance radioactive
I. Le noyau de l’atome
II. La radioactivité
III. Effets biologiques de la radioactivité
IV. 4 types de radioactivité
V. Décroissance radioactive
VI. Activité radioactive
VII. Filiation radioactive : équilibres séculaire et transitoire
VIII. Datations
Partie B : Noyaux-Masse-Energie
I. Equivalence masse-énergie
II. Défaut de masse
III. Energie de liaison , courbe d’Aston
IV. Les Unités
V. Fission nucléaire : principe, centrale nucléaire, rendement
VI. Fusion nucléaire

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PARTIE A : Loi de décroissance radioactive
I. Le noyau de l’atome :
Le noyau est composé de A nucléons ൜ܼ ݌ݎ݋ݐ݋݊ݏ
ܰ=(ܣ − ܼ) ݊݁ݑݐݎ݋݊ݏ
A est le : nombre de masse (ܣ=ܼ+ܰ)
Z est le : nombre de charge, ou : numéro atomique
La masse des électrons étant très faible devant celle des nucléons, la masse du noyau est sensiblement
égale à celle de l’atome ; son unité est le u, défini comme 1/12
e
de la masse de l’atome de carbone 12 :
1 ݑ= 12.10
ିଷ
݇݃
12 ࣨ
஺
=1,66054.10
ିଶ଻
݇݃
Remarque : l’atome est électriquement neutre : il y autant de protons que d’électrons (si ܼ
protons dans le noyau, ܼ électrons dans le nuage électronique ; la charge élémentaire vaut
݁=1,602.10
ିଵଽ
ܥ)
• Un élément chimique : famille d’atomes comportant le même nombre de protons Z, il est
désigné par X dans la classification (tous les éléments sont classés par ordre croissant de X)
• Un nucléide : espèce qui se différencie des autres, soit par son nombre de masse, soit par son
numéro atomique ; symbole d’un nucléide : ܺ
௓
஺
• Isotope : deux noyaux isotopes possèdent le même nombre de protons Z (même numéro
atomique) mais un nombre A de nucléons différent ; exemple : ܥ
଺
ଵଶ
, ܥ
଺
ଵଷ
, ܥ
଺
ଵସ
Certains isotopes sont stables (c’est-à-dire gardent indéfiniment la même composition) ; d’autres sont
instables, c’est-à-dire susceptibles de se désintégrer en émettant des rayonnements ⇒ ce sont des
isotopes radioactifs.
Deux isotopes ont même propriété chimique (car même Z, donc même nombre d’électrons et la chimie
ne concerne que le cortège électronique, pas le noyau), par contre ils n’ont pas la même propriété
physique.
• Isotone : deux noyaux isotones possèdent le même nombre de neutrons, donc un nombre de
protons Z différents, et un nombre A de nucléons différents ; exemple :
ܥ (7 ݊݁ݑݐݎ݋݊ݏ)
଺
ଵଷ
݁ݐ ܰ
଻
ଵସ
(7 ݊݁ݑݐݎ݋݊ݏ)
• Isobare : deux noyaux isobares possèdent le même nombre A de nucléons, donc un nombre
de protons Z différents, et un nombre (A - Z) de neutrons différents ; exemple :
ܥ
଺
ଵସ
݁ݐ ܰ
଻
ଵସ

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• L'isomérie nucléaire consiste dans l'existence de plusieurs nucléides, noyaux atomiques de
même numéro atomique Z et de même nombre de masse A, mais de structures nucléaires
différentes (états énergétiques différents).
On note les isomères nucléaires en adjoignant la lettre « ࢓ » — pour « métastable » — à
l'isotope considéré ⟹ ex : le technétium 99m ܶܿ
ଽଽ௠
• Stabilité énergétique : un même noyau peut donc être présent sous différents états
énergétiques:
– état fondamental ܺ
௓
஺
état énergétique minimal d’un atome (pas forcément stable)
– états excités, ܺ
∗
௓
஺
très instables, durée vie très brève (10
-12
s)
– états métastables, ܺ
௓
஺௠
instables, durée vie de 10
-12
s à qq heures
II. La radioactivité :
1896 : Becquerel constate que certains sels d'uranium émettent des "rayonnements uraniques" pouvant
traverser la matière et pouvant impressionner des plaques photos placées dans l'obscurité.
1903 : Pierre et Marie Curie (ainsi que H.Becquerel)ont le Prix Nobel de Physique pour la découverte
de la Radioactivité naturelle
1934 : Frédéric et Irène Joliot- Curie isolent deux nouveaux éléments, le polonium et le radium : prix
Nobel de Chimie pour la découverte de la radioactivité artificielle
Une soixantaine de noyaux naturels sont instables, ainsi que presque tous les noyaux artificiels.
• Lois de conservation de Soddy :
au cours d’une transformation nucléaire naturelle ou artificielle, il y a :
൜܋ܗܖܛ܍ܚܞ܉ܜܑܗܖ ܌ܝ ܖܗܕ܊ܚ܍ ܌܍ ܕ܉ܛܛ܍ ۯ
܋ܗܖܛ܍ܚܞ܉ܜܑܗܖ ܌ܝ ܖܗܕ܊ܚ܍ ܌܍ ܋ܐ܉ܚ܏܍ ܈
• Au cours d’une réaction nucléaire, il y a également toujours conservation de la quantité de
mouvement, et conservation de l’énergie totale (masse + énergie)
• La désintégration radioactive est un phénomène :
 Aléatoire : rien ne permet de prévoir exactement quand un noyau radioactif se désintègre (par
contre le rythme de désintégration d'un échantillon est bien connu tant que ce nombre est
important ⟹ loi de désintégration et loi de l’activité)
 Spontané : elle se déclenche seule, sans intervention extérieure ; elle est notamment indépendant
de la température, de la pression, de la nature et de la structure chimique du composé auquel il
appartient
 Irréversible
 Inéluctable : rien ne peut ralentir ou accélérer la cadence de désintégration d'un échantillon
radioactif
 indécelable par nos sens (inodore, inaudible, invisible)

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La courbe de la stabilité correspond à l’ ensemble des noyaux stables ; on constate que :
• pour Z < 20, ces noyaux stables se situent sur la bissectrice ܰ = ܼ (noyaux comportant
autant de neutrons que de protons)
• pour Z > 20, les noyaux stables se situent au-dessus de ܰ = ܼ
Pour les noyaux instables :
• si le noyau est situé au-dessus de la Vallée de la stabilité : radioactivité ߚ
ି
• si le noyau est situé en-dessous de la Vallée de la stabilité : radioactivité ߚ
ା
• certains noyaux lourds A > 170 se désintègrent spontanément en émettant une particule ߙ
Nombres magiques et doublement magiques : ce sont des nombres, obtenus expérimentalement,
correspondant à un nombre de protons ou de neutrons particulièrement stables :
⟹ si A ou Z sont égaux à 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 , alors les nucléides correspondants sont
particulièrement stables ; ex : le plomb 208, ܾܲ
଼଺
ଶ଴଼
, contient 208−86=126 neutrons est
très stable
Un nombre doublement magique se dit d’un noyau dont le nombre de protons et de neutrons sont
tous les deux des nombres magiques
Détecteurs :
La radioactivité étant indécelable par nos sens, elle ne peut donc être mise en évidence que par des
outils d’observation indirecte : lorsque les électrons ou les rayons ߛ émis par le corps radioactifs
traversent le détecteur, celui-ci produit un signal électrique.
Il existe trois types de détecteurs : compteurs à ionisation, scintillateurs, semi-conducteurs