La radioactivité

T°STI2D-SIN
PHYSIQUE
TROISIÈME PARTIE : « SANTÉ »
COURS SUR LE CHAPITRE 13 « LA RADIOACTIVITÉ »
2016 / 2017
I) Historique rapide.
 En 1896, le physicien français HENRI BECQUEREL (1852-1908) constate que des sels d’uranium entreposés dans un tiroir fermé, sans
exposition préalable à la lumière, impressionnent des plaques photographiques placées au voisinage. Il en déduit que ces sels
produisent naturellement un rayonnement continue : c’est la radioactivité qu’il vient de découvrir.
 MARIE CURIE (1867-1934) et PIERRE CURIE (1859-1906) se consacrent à l’étude de la radioactivité et découvrent trois corps
radioactifs naturels : le thorium, le radium et le polonium. Ces travaux leur valent le prix Nobel de Physique en 1903, qu’ils partagent
avec HENRI BECQUEREL. MARIE CURIE obtiendra aussi le prix Nobel de Chimie en 1911.
 IRÈNE et FRÉDÉRIC JOLIOT-CURIE découvrent en 1934 la radioactivité d’un noyau créé artificiellement.
II) Noyau atomique et isotope (Rappels de seconde).
1) Le noyau atomique (ou noyau central d’un atome).
 Le noyau central d’un atome est composé de deux types de nucléons :
 Les ……………………………………… (chargés positivement) ;
 Les ……………………………………… (neutres électriquement).
 Le noyau central d’un atome est donc chargé ………………………………………
 Le noyau atomique comporte A nucléons (A : nombre de nucléons appelé aussi nombre de masse) dont :
 ……………………………………… (Z : numéro atomique appelé aussi nombre de charge) ;
 ……………………………………… (N : nombre de neutrons).
 Remarques :  L’atome (noyau central + nuage électronique) est ÉLECTRIQUEMENT NEUTRE.
 On appelle élément chimique, l’ensemble des particules (atome ou ion) ayant le même numéro atomique Z. Un
numéro atomique Z caractérise un élément et réciproquement. On connaît à ce jour 118 éléments chimiques
dont 94 naturels.
2) Représentations symboliques.
 Le noyau atomique caractérisé par le couple de nombres (Z, A) se représente de manière générale et symbolique
A
Z
X où X est le
symbole de l’élément.
1
1
 Le symbole du proton est 1 p ; le symbole du neutron est 0 n .
3) Noyaux isotopes.
 Des noyaux sont appelés isotopes s’ils ont même numéro atomique mais des nombres de nucléons différents. Autrement dit,
des noyaux isotopes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons et appartiennent au même élément.
 L’abondance naturelle est le pourcentage en masse de chacun des isotopes dans le mélange naturel d’un élément. Ce
pourcentage est quasiment constant quelle que soit l’origine géographique de cet élément.
 Sur Terre, on trouve 94 éléments, dits naturels, auxquels correspondent environ 350 noyaux différents. Les éléments naturels
sont ainsi, en grande majorité, constitués d’un mélange d’isotopes.
 Exemples :
Isotopes de l’hydrogène
Symbole
Nombre de protons
Nombre de neutrons
Abondance naturelle
1
1
H
99,985 %
2
1
H
0,015 %
3
1
H
Traces
Isotopes de l’uranium
238
92
U
99,3 %
235
92
U
0,7 %
Isotopes du carbone
12
6
C
98,89 %
13
6
C
1,11 %
14
6
C
Traces
III) Les réactions nucléaires spontanées : la radioactivité.
1) Définition de la radioactivité.
 C’est la transformation (ou désintégration) spontanée d’un noyau instable (le noyau père) en un autre noyau (le noyau fils).
Cette transformation est accompagnée de l’émission d’un rayonnement et de l’émission de particules.
 On appelle noyaux radioactifs ou radionucléides des noyaux qui se désintègrent spontanément.
 Ces transformations spontanées qui mettent en jeu des noyaux sont appelées réactions nucléaires spontanées.
 Remarque : La fission et la fusion sont des réaction nucléaires forcées.
2) Propriétés fondamentales des désintégrations.
 Aléatoires : Il est impossible de prévoir l’instant de la désintégration d’un noyau donné ;
 Spontanées : Elles se déclenchent sans aucune intervention extérieure ;
 Inéluctables : Un noyau instable se désintégrera tôt ou tard ;
 Indépendantes de la combinaison chimique, de la pression et de la température dans laquelle est engagé le noyau
radioactif contrairement aux réactions chimiques.
3) La nature du rayonnement émis et des particules émises lors d’une réaction nucléaire spontanée.
 Le rayonnement « gamma » γ : C’est un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde λ  10–4 nm (il est donc invisible
pour l’Homme) ; il possède une très grande énergie ; il est très pénétrant et dangereux pour l’Homme. On s’en protège avec des
fortes épaisseurs de béton ou de plomb. Lors d’une désintégration spontanée d’un noyau père X, le noyau fils obtenu est dans un
état de grande énergie dit état excité ; il est très instable et on le note Y*. Sa désexcitation produit le rayonnement γ et le noyau fils
Y dans un état de plus basse énergie ; il est plus stable et on le note Y. L’équation « Y*  Y + γ » traduit la désexcitation du noyau
fils Y* avec l’émission du rayonnement γ.
4
 Les particules « alpha » α : Ce sont des noyaux d’hélium 4 notés 2 He . Ces particules sont émises avec des vitesses de l’ordre de
20 000 km.s–1 et sont peu pénétrantes ; de ce fait elles sont facilement arrêtées par une feuille de papier ou quelques centimètres
d’air. Cependant, elles sont très ionisantes et donc dangereuse pour l’Homme si elles sont en contact direct avec la peau.
 Les particules « béta moins » β– : Ce sont des électrons notés
0
1
e . Ces particules sont émises avec des vitesses de l’ordre de
280 000 km.s–1 et sont peu pénétrantes ; de ce fait elles sont facilement arrêtées par une feuille d’aluminium de quelques
millimètres d’épaisseur et ne peuvent parcourir que quelques mètres dans l’air.
 Les particules « béta plus » β+ : Ce sont des positons notés
0
1
e . Le positon est l’antiparticule de l’électron (même masse et
charge opposée). Ces particules sont annihilées lorsqu’elles rencontrent des électrons dans l’air ; l’équation qui traduit cette
annihilation est :
0
1
e + 01 e  « rien » + γ (émission d’un rayonnement γ).
4) Lois de conservation dans l’écriture d’une réaction nucléaire spontanée : les lois de SODDY-RUTHERFORD.
 Soit la désintégration spontanée d’un noyau père X en :
 un noyau fils Y désexcité ;
 une particule W caractéristique du type de désintégration.
 L’équation générale de cette réaction nucléaire spontanée est :
A1
Z1
X 
A2
Z2
Y +
A3
Z3
W +γ
.
 Lois de SODDY-RUTHERFORD :
 Il y a conservation du nombre total de ……………………………………… (soit ici ………………………………………) ;
 Il y a conservation du nombre total de ……………………………………… (soit ici ………………………………………).
5) Les différentes formes de radioactivités et écritures générales d’équations de réactions nucléaires spontanées.
 RADIOACTIVITÉ α :
 Exemple d’une désintégration α :
238
92
U  ……………………………………………………
 RADIOACTIVITÉ β :
 Exemple d’une désintégration β– :
60
27
Co  ……………………………………………………
30
15
P  ……………………………………………………
 RADIOACTIVITÉ β+ :
 Exemple d’une désintégration β+ :
6) Détection des noyaux radioactifs.
 Les rayonnements issus de la radioactivité ne sont pas directement perceptibles. La radioactivité est invisible, inaudible, inodore.
Elle n’a donc pu être mise en évidence que lorsque des outils d’observation indirecte ont été mis au point : des plaques
photographiques ou des chambres d’ionisation. Le principe des trois types de détecteurs les plus couramment utilisés (les
compteurs à ionisation de gaz appelés compteurs GEIGER-MÜLLER, les scintillateurs et les semi-conducteurs) est le même : un microcourant électrique est produit lorsque des électrons ou des rayons  émis par le corps radioactif traversent le détecteur.
IV) La radioactivité et le temps.
1) Evolution temporelle de la population d’un échantillon de noyaux radioactifs : la décroissance radioactive.
 Soit N0 le nombre moyen de noyaux radioactifs non désintégrés et présents à
la date t = 0 dans un échantillon.
 Soit N, le nombre moyen de noyaux radioactifs non désintégrés et présents à
une date t dans un échantillon.
 Toutes les expériences conduitent en laboratoire montrent que le nombre
moyen N décroît avec le temps de manière exponentielle, c’est la décroissance
radioactive.
2) La demi-vie (ou période) radioactive.
 On appelle demi-vie radioactive ou encore période radioactive, notée t1/2, la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux
radioactifs initialement présents dans un échantillon s’est désintégrée. La demi-vie radioactive ne dépend que de la nature du
noyau radioactif.
 ATTENTION : La demi-vie ne correspond pas du tout à la moitié de la durée de vie de l’échantillon.
 Exemples de valeurs :
Noyau
radioactif
Uranium
238
Potassium
40
Uranium
235
Plutonium
242
Carbone
14
Césium
137
Cobalt
60
Iode
131
Thallium
210
Polonium
212
t1/2
4,4.109
ans
1,2.109
ans
7,0.108
ans
3,7.105
ans
5600
ans
30
ans
5
ans
8
jours
2
min
0,3
µs
 Si à la date t = 0, on a en moyenne N0 radionucléides (voir ci-dessus) :
 À la date t = t1/2, il reste en moyenne N =
N0
radionucléides non désintégrés ;
2
 À la date t = 2 t1/2, il reste en moyenne N =
N0
radionucléides non désintégrés ;
4
 À la date t = 3 t1/2, il reste en moyenne N =
N0
radionucléides non désintégrés ;
8
 À la date t = n t1/2, il reste en moyenne N =
N0
radionucléides non désintégrés.
2n
3) L’activité d’un échantillon radioactif.
 L’activité A d’un échantillon radioactif à l’instant t est le nombre
moyen de désintégrations par seconde dans cet échantillon. Elle
s’exprime en Becquerel (Bq).
 On a : 1 Bq = 1 désintégration.s1 .
 L’activité A décroît avec le temps également de manière
exponentielle.
V) Sources de radioactivité sur Terre.
 On a pour habitude de distinguer deux types de noyaux radioactifs :
 Les noyaux radioactifs qui existent naturellement ; ils n’ont pas une très grande activité ;
 Les noyaux radioactifs créés par l’Homme (= artificiels) au sein des réacteurs nucléaires ; ils ont une très grande activité et une
demi-vie très élevée.
Noyau
radioactif
Carbone
14
Oxygène
15
Potassium
40
Cobalt
60
Iode
123
Césium
137
Radon
220
Radium
226
Uranium
238
Uranium
235
Plutonium
242
t1/2
5 600
ans
2
min
1,2.109
ans
5
ans
13
heures
30
ans
58
secondes
1 600
ans
4,4.109
ans
7,0.108
ans
3,7.105
ans
Origine
Air
Roches
Roches
Roches
Roches
Réacteurs
nucléaires
Roches
Roches
Roches
Roches
Réacteurs
nucléaires
 Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de l’activité de quelques sources :
Nature
1 kg de terre
1 L de lait
Homme
de 70 kg
1 kg de poisson
1 kg de déchets
nucléaires
Scintigraphie
thyroïdienne
1 L d’eau de mer
Activité
500 à 5 000 Bq
selon le terrain
80 Bq
7 000 Bq
100 Bq
1013 Bq
50.106 Bq
13 Bq
Origine
Uranium 238 et
235, potassium 40
Potassium 40
Potassium 40
Carbone 14
Potassium 40
Divers
Technétium 99
Potassium 40
*****