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Décroissance radioactive La radioactivité na pas été inventée par lhomme. Cest un phénomène naturel qui a été découvert à la fin du XIX e siècle.

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1 Décroissance radioactive La radioactivité na pas été inventée par lhomme. Cest un phénomène naturel qui a été découvert à la fin du XIX e siècle.

2 Contexte historique 1815 : Waterloo 1824 : mort de Louis XVIII 1830 : Révolution en France 1837 : Victoria, Reine dAngleterre 1848 : Révolution en France 1852 : Louis Napoléon Bonaparte, empereur des français : guerre civile américaine 1862 : Bismarck, 1er ministre en Prusse 1870 : guerre franco-prussienne 1871 : Création de lempire allemand- commune de Paris 1894 : début de laffaire Dreyfus 1896 : Fondation des prix Nobel 1901 : Mort de la reine Victoria

3 La science et les femmes au XIXème siècle Jusquau milieu du XIXème siècle : formation scientifique interdite aux femmes. Pour les femmes, le modèle éducatif napoléonien est centré sur « les arts de la maison »… Après 1848, cela va changer ! 1865 : luniversité de Zurich et le Polytechnikum sont accessibles aux femmes 1870 : accès des femmes au doctorat en Allemagne. La Sorbonne prend, à contre cœur, des dispositions semblables. Malheureusement, souvent, elles nont pas le droit de se présenter aux examens : elles sont obligées de sexiler Les universités pour femmes ont moins de moyens financiers que les autres universités. Les hommes ont peur de perdre leur statut social et leur autorité au sein du foyer… De nombreux hommes, soutenus par des médecins expliquent : « si une femme suit une formation scientifique ( maths, physique ou chimie) elle risque une fièvre cérébrale ou la stérilité !!! »

4 Évolution des connaissances sur latome 4 siècles avant JC, les philosophes grecs pensaient que la matière était constituée datomes. L'atome n'était qu'hypothétique. Son existence a été définitivement prouvée en 1906 par Jean Perrin : le physicien français Henri Becquerel qui travaillait sur les sels fluorescents duranium découvre la radioactivité ( du latin radius : rayon) 1898 : Marie Curie découvre le polonium et met en évidence la radioactivité du thorium. Avec Pierre Curie, elle isole le radium et postule que la radioactivité était un phénomène atomique. Révolution dans la conception de l'atome : « l'atome n'est pas immuable, insécable ». Il se transforme mise en exploitation des mines duranium en France

5 1908 : Prix Nobel pour Ernest Rutherford : mise en évidence du noyau de latome 1911 : Prix Nobel de chimie pour Marie Curie ( isolement du radium) 1923 : prix Nobel pour la mise en évidence de lélectron et de ses caractéristiques Millikan 1932 : Irène et Frédéric Joliot-Curie synthétisent un isotope artificiel du Phosphore par réaction nucléaire – James Chadwick met en évidence le neutron 1935 : prix Nobel de chimie pour Irène et Frédéric Joliot-Curie 1848 : 1ère pile nucléaire française : Zoé 16 Juillet 1945, près de Los Alamos : 1ère bombe nucléaire 6 août 1945 : Hiroshima : morts 1956 : 1er réacteur nucléaire (civil ) industriel en France : Chinon 1967 : mise en service de lusine de retraitement des déchets nucléaires à La Hague

6 1- le noyau atomique 1.1 caractéristiques A : nombre de masse = nombre de nucléons Z : numéro atomique = nombre de protons Z est aussi appelé nombre de charge A-Z : nombre de neutrons dans le noyau

7 1- le noyau atomique Élément chimique : ensemble des particules ( atomes, ions) ayant le même numéro atomique Z ( donc le même symbole chimique) Isotopes : des noyaux sont isotopes sils ont le même nombre de charge ( ou numéro atomique) Z mais des nombres de nucléons A différents.

8 2- Stabilité et instabilité des noyaux 2.1 forces agissant sur le noyau L'INTERACTION FORTE Linteraction forte, ou force nucléaire forte, assure la cohésion du noyau en faisant fortement sattirer les nucléons. Elle ne sexerce quà des distances très courtes, quelques diamètres de noyaux. L'INTERACTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE Linteraction électromagnétique se manifeste sous deux formes, la force électrique et la force magnétique. Les forces électriques font se repousser deux charges électriques de même signe (deux protons, par exemple), et sattirer deux charges de signes opposés (un électron et un noyau). Elles portent à linfini, mais elles sont quatre fois plus faible à distance double (loi de linverse carré de la distance). Elles sont 100 à fois plus faibles que linteraction forte mais deviennent plus importantes lorsque le nombre de protons augmente dans le noyau. Elles sous-tendent les propriétés chimiques des atomes.

9 2.1 forces agissant sur le noyau ( suite) LINTERACTION FAIBLE : Les interactions faibles sont environ fois plus faibles que les forces nucléaires ( interaction forte) et 100 à fois moins intenses que les forces électriques. Sa portée est extrêmement faible : quelques centièmes de la taille dun nucléon. Les interactions faibles sont responsables des processus de désintégrations. LINTERACTION GRAVITATIONNELLE : A peu dimportance en physique nucléaire.

10 2.2 Stabilité et instabilité des noyaux La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre interaction forte et interaction électromagnétique répulsive.

11 Les noyaux contenant un grand nombre de nucléons ( Z > 82) sont instables ( interaction forte avec les nucléons voisins mais répulsion de la part de tous les protons du noyau) Les nucléides possédant trop de particules du même type sont instables

12 3- radioactivités - La radioactivité est le phénomène nucléaire spontané au cours duquel un noyau père instable Z A X se désintègre en un noyau fils Z A X. - La désintégration radioactive est : - aléatoire ( désintégration régie par les lois statistiques) - spontanée ( se produit sans intervention extérieure ) - inéluctable ( on ne peut empêcher la désintégration) - indépendante de la combinaison chimique dont le noyau radioactif fait partie (U est radioactif aussi bien que UO 2 ou UF 6 ) - indépendante de létat physique de la substance ( solide,liquide, ou gaz), de la température et de la pression.

13 3.2 Lois de conservation Programme de Terminale S : les lois de Soddy : Conservation de la charge : Principe valable quelque soit la complexité des phénomènes intervenant. Conservation du nombre de nucléons : On parle aussi de conservation du nombre baryonique. Le nombre de nucléons A total reste inchangé entre les deux membres d'un processus nucléaire. Exemple : Hors programme de terminale S : Conservation de la quantité de mouvement : Ce principe explique le recul des noyaux lourds comme il explique les chocs en mécanique classique Conservation de l'énergie : L'énergie totale du système ( énergie de masse + cinétique) reste constante au cours de tout processus nucléaire. Conservation du nombre leptonique : Il permet d'interpréter l'apparition d'un neutrino face au positon et d'un antineutrino face à l'électron. Conservation du moment cinétique : Par analogie avec la mécanique classique, où par exemple la rotation de la patineuse s'accélère sur la glace quand elle replie les bras vers son corps.

14 3.3 différents types de radioactivités A connaître par coeur

15 3.3.1 Radioactivité Au cours dune désintégration un noyau lourd instable éjecte un noyau dhélium : Z A X Z A X He A = A + 4 et Z = Z + 2 Les particules sont éjectées à vitesse modeste ( km/s) et emporte la majeure partie de lénergie dégagée Les particules sont très ionisantes mais très peu pénétrantes. Très dangereuses par contact direct avec la peau, inhalées ou ingérées. Elles sont arrêtées par une feuille de papier ou quelques cm dair.

16 3.3.2 Radioactivité - La radioactivité - concerne les noyaux instables à cause dun excès de neutrons. Pour rejoindre la vallée de stabilité, il faut que le nombre de neutrons diminue et le nombre de protons augmente. Au niveau microscopique : 0 1 n 1 1 p e Au niveau macroscopique : Z A X Z+1 A X e Le rayonnement - est ionisant et peu pénétrant. Il est arrêté par quelques m dair et quelques mm daluminium

17 3.3.3 Radioactivité + ne concerne que les noyaux artificiels La radioactivité + concerne les noyaux instables à cause dun excès de protons. Pour rejoindre la vallée de stabilité, il faut que le nombre de protons diminue et le nombre de neutrons augmente. Au niveau microscopique : 1 1 p 0 1 n e ( positon) Au niveau macroscopique : Z A X Z-1 A X e -1 0 e e

18 3.3.3 Émission Lors dune désintégration ou, le noyau fils est émis le plus souvent dans un état instable appelé état excité. Il devient stable en libérant son excédent dénergie sous forme dun rayonnement électromagnétique de très faible donc très énergétique : les rayons gamma Les rayons sont très pénétrants et très faiblement ionisants. Ils sont arrêtés par quelques centaines de m dair, quelques m de béton ou de plomb. On utilise les rayons pour stériliser les aliments ( destruction de salmonelle dans les crevettes et les cuisses de grenouilles) – ionisation des aliments- ou le matériel chirurgical ( destruction des bactéries, virus,etc.). On les utilise pour détruire les larves et les bactéries qui pourraient se trouver dans les œuvres dart.

19 Ionisation Une particule ionisante est une particule qui arrache, sur son passage, des électrons aux atomes quelle rencontre. Certains électrons sont éjectés et captés par des atomes voisins créant des ions dune durée de vie très courte. Les électrons reprennent rapidement leurs places, libérant lénergie reçue pendant lopération sous forme de chaleur. Durant leur existence, certains ions peuvent réagir avec la matière environnante et créer de nouvelles combinaisons chimiques.

20 Les ions créés par la pénétration dans les tissus vivants de rayonnements radioactifs sont principalement nocifs pour lADN et les enzymes, des structures indispensables à la vie. De nombreux pionniers de lexploration de la radioactivité en ont fait lexpérience à leurs dépends (brûlures superficielles pour Becquerel, leucémie pour Marie Curie, etc.). Mais, les cellules les plus sensibles à ces rayonnements sont les cellules les moins différenciées. Ainsi, on peut les utiliser pour traiter et détruire des cellules cancéreuses (curiethérapie et radiothérapie).

21 4- décroissance radioactive

22 4.1 loi de décroissance radioactive Chaque nucléide radioactif est caractérisé par la probabilité de désintégration dun noyau par unité de temps. A la date t, la probabilité de désintégration dun noyau entre les dates t et t + t est alors : t Si léchantillon comporte N(t) noyaux radioactifs non désintégrés, le nombre moyen de noyaux qui vont se désintégrer entre les dates t et t + t est : n (t) = t.N(t) La variation du nombre de noyaux radioactifs non désintégrés entre les dates t et t + t est : N(t + t ) – N(t) = N(t) = - n(t) = - t.N(t) Soit N(t) / t. = - N(t) lorsque t 0 alors lim ( t 0 ) = dN(t)/dt = - N(t) équa diff. du 1er ordre La solution de léquation différentielle du 1er ordre dN(t)/dt = - N(t) est la loi de décroissance radioactive : N(t) = N(t=0).exp(- t)

23 4.2 Activité dun échantillon A Lactivité A (t) à une date t dun échantillon contenant N(t) noyaux radioactifs est le nombre moyen de noyaux qui se désintègrent par seconde. A (t) = n(t)/ t = N(t) = - dN(t) / dt A sexprime en becquerel (Bq) 1Bq = 1désintégration par seconde

24 4.3 constante de temps et demi-vie t ½ Constante de temps On détermine à partir de la courbe N= f(t) La tangente à la courbe N(t) à la date t = 0, a pour coefficient directeur : = -. N 0 = Léquation de la tangente est donc : y =.t + N0 Quand t = y = 0 donc la tangente à la courbe N = f(t) à la date t = 0 coupe laxe des temps à la date t =

25 Demi-vie ( ou période T) Demi-vie : durée au bout de laquelle lactivité est divisée par 2 : A( t ½ ) = A0 /2 Indépendant de linstant de mesure et caractéristique du radionucléide.

26 Lien entre t ½ et Savoir démontrer : N(t) = N 0 exp ( -t / ) N( t ½ ) = = N 0 exp ( -t ½ / ) Soit : ½ = exp ( -t ½ / ) - ln 2 = ( -t ½ / ) Doù t ½ =. ln 2

27 Exercice 1 Le carbone 14 a une période de ans. Quelle est la probabilité de désintégration dun noyau par unité de temps ?

28 Exercice 2 Déterminer lactivité de 1 g de radium 226 de demi-vie 1620 ans. On donne M = 226 g.mol-1 expression littérale ( avec les unités ) puis application numérique.


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