Décroissance radioactive La radioactivité na pas été inventée par lhomme. Cest un phénomène...

28
Décroissance radioactive “La radioactivité n’a pas été inventée par l’homme. C’est un phénomène naturel qui a été découvert à la fin du XIX e siècle.”

Transcript of Décroissance radioactive La radioactivité na pas été inventée par lhomme. Cest un phénomène...

Page 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.

Décroissance radioactive

“La radioactivité n’a pas été inventée par l’homme. C’est un phénomène naturel qui

a été découvert à la fin du XIXe siècle.”

Page 2: 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.

Contexte historique 1815 : Waterloo 1824 : mort de Louis XVIII 1830 : Révolution en France 1837 : Victoria, Reine d’Angleterre 1848 : Révolution en France 1852 : Louis Napoléon Bonaparte, empereur des français 1861-1865 : guerre civile américaine 1862 : Bismarck, 1er ministre en Prusse 1870 : guerre franco-prussienne 1871 : Création de l’empire allemand- commune de Paris 1894 : début de l’affaire Dreyfus 1896 : Fondation des prix Nobel 1901 : Mort de la reine Victoria

Page 3: 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.

La science et les femmes au XIXème siècle Jusqu’au 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 : l’université 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 n’ont pas le droit de se présenter aux examens : elles sont obligées de s’exiler

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 !!! »

Page 4: 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.

Évolution des connaissances sur l’atome

4 siècles avant JC, les philosophes grecs pensaient que la matière était constituée d’atomes . L'atome n'était qu'hypothétique. Son existence a été définitivement prouvée en 1906 par Jean Perrin.

1896 : le physicien français Henri Becquerel qui travaillait sur les sels fluorescents d’uranium 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.

1904 mise en exploitation des mines d’uranium en France

Page 5: 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.

1908 : Prix Nobel pour Ernest Rutherford : mise en évidence du noyau de l’atome

1911 : Prix Nobel de chimie pour Marie Curie ( isolement du radium)

1923 : prix Nobel pour la mise en évidence de l’électron 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 : 300 000 morts 1956 : 1er réacteur nucléaire (civil ) industriel en France : Chinon 1967 : mise en service de l’usine de retraitement des déchets

nucléaires à La Hague

Page 6: 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.

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

Page 7: 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.

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 s’ils ont le même nombre de charge ( ou numéro atomique) Z mais des nombres de nucléons A différents.

Page 8: 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- Stabilité et instabilité des noyaux 2.1 forces agissant sur le noyau

L'INTERACTION FORTEL’interaction forte, ou force nucléaire forte, assure la cohésion du noyau en faisant fortement s’attirer les nucléons. Elle ne s’exerce qu’à des distances très courtes, quelques diamètres de noyaux.

L'INTERACTION ÉLECTROMAGNÉTIQUEL’interaction 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 s’attirer deux charges de signes opposés (un électron et un noyau). Elles portent à l’infini, mais elles sont quatre fois plus faible à distance double (loi de “l’inverse carré de la distance”).

Elles sont 100 à 1 000 fois plus faibles que l’interaction forte mais deviennent plus importantes lorsque le nombre de protons augmente dans le noyau.

Elles sous-tendent les propriétés chimiques des atomes.

Page 9: 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.

2.1 forces agissant sur le noyau ( suite)

L’INTERACTION FAIBLE :

Les interactions faibles sont environ 100 000 fois plus faibles que les forces nucléaires ( interaction forte) et 100 à 1 000 fois moins intenses que les forces électriques.

Sa portée est extrêmement faible : quelques centièmes de la taille d’un nucléon.

Les interactions faibles sont responsables des processus de désintégrations .

L’INTERACTION GRAVITATIONNELLE :

A peu d’importance en physique nucléaire.

Page 10: 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.

2.2 Stabilité et instabilité des noyaux La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre

interaction forte et interaction électromagnétique répulsive.

Page 11: 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.

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

Page 12: 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.

3- radioactivités- La radioactivité est le phénomène nucléaire spontané au

cours duquel un noyau père instable ZAX 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 UO2 ou UF6 )

- indépendante de l’état physique de la substance ( solide ,liquide, ou gaz), de la température et de la pression.

Page 13: 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.

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.

'''* XXX xyxAyZ

AZ

Page 14: 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.

3.3 différents types de radioactivités

A connaître par coeur

Page 15: 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.

3.3.1 Radioactivité

Au cours d’une désintégration un noyau lourd instable éjecte un noyau d’hélium : Z

AX Z’A’X’ + 2

4He A = A’ + 4 et Z = Z’ + 2 Les particules sont éjectées à vitesse modeste ( 20 000 km/s)

et emporte la majeure partie de l’énergie 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

d’air.

Page 16: 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.

3.3.2 Radioactivité -

La radioactivité - concerne les noyaux instables à cause d’un 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 : 01n 1

1p + -10e

Au niveau macroscopique : ZAX Z+1

AX’ + -10 e

Le rayonnement - est ionisant et peu pénétrant . Il est arrêté par quelques m d’air et quelques mm d’aluminium

Page 17: 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.

3.3.3 Radioactivité +ne concerne que les noyaux artificiels

La radioactivité + concerne les noyaux instables à cause d’un 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 : 11p 0

1n + +10e ( positon)

Au niveau macroscopique : ZAX Z-1

AX’ + +10 e

-10 e + +1

0 e

Page 18: 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.

3.3.3 Émission Lors d’une désintégration ou , le noyau fils est émis le

plus souvent dans un état instable appelé état excité. Il devient stable en libérant son excédent d’énergie sous forme d’un 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 d’air, 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 d’art.

Page 19: 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.

Ionisation Une particule ionisante est une particule qui arrache, sur

son passage, des électrons aux atomes qu’elle rencontre. Certains électrons sont éjectés et captés par des atomes voisins créant des ions d’une durée de vie très courte. Les électrons reprennent rapidement leurs places, libérant l’énergie reçue pendant l’opération sous forme de chaleur. Durant leur existence, certains ions peuvent réagir avec la matière environnante et créer de nouvelles combinaisons chimiques.

Page 20: 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.

Les ions créés par la pénétration dans les tissus vivants de rayonnements radioactifs sont principalement nocifs pour l’ADN et les enzymes, des structures indispensables à la vie. De nombreux pionniers de l’exploration de la radioactivité en ont fait l’expérience 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).

Page 21: 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.

4- décroissance radioactive

Page 22: 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.

4.1 loi de décroissance radioactive

Chaque nucléide radioactif est caractérisé par la probabilité de désintégration d’un noyau par unité de temps .

A la date t , la probabilité de désintégration d’un noyau entre les dates t et t + t est alors : t

Si l’échantillon 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 l’équation différentielle du 1er ordre dN(t)/dt = - N(t) est

la loi de décroissance radioactive : N(t) = N(t=0).exp(- t)

Page 23: 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.

4.2 Activité d’un échantillon A

L’activité A(t) à une date t d’un 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 s’exprime en becquerel (Bq) 1Bq = 1désintégration par seconde

Page 24: 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.

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 :

= - . N0 = L’équation de la tangente est donc : y = .t + N0Quand t = y = 0 donc la tangente à la courbe N = f(t) à la date t = 0 coupe l’axe des temps à la date t =

0

)(

tdt

tdN

0N

0N

Page 25: 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.

Demi-vie ( ou période T) Demi-vie : durée au bout de laquelle l’activité est divisée

par 2 : A(t ½ ) = A0 /2

Indépendant de l’instant de mesure et caractéristique du radionucléide.

Page 26: 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.

Lien entre t ½ et

Savoir démontrer :

N(t) = N0 exp ( -t / )

N( t ½ ) = = N0 exp ( -t ½ / )

Soit : ½ = exp ( -t ½ / )

- ln 2 = ( -t ½ / )

D’où t ½ = . ln 2

20N

Page 27: 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.

Exercice 1

Le carbone 14 a une période de 5 730 ans . Quelle est la probabilité de désintégration d’un noyau par unité de temps ?

Page 28: 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.

Exercice 2

Déterminer l’activité 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.