1Le noyau et sa stabilité
Notation. Un noyau (ou nucléide) est noté : est le numéro atomique (nombre de protons), le nombre de masse (nombre de nucléons), donc est le nombre de neutrons. Deux isotopes ont le même et des différents.
Définition. Un noyau est radioactif lorsqu’il est instable : il se désintègre spontanément en un autre noyau, en émettant une particule. Le phénomène est aléatoire (on ne peut pas prévoir l’instant de désintégration d’un noyau donné) et insensible à la température, à la pression ou aux liaisons chimiques.
Propriété — diagramme . On place chaque nucléide dans un diagramme où est en abscisse et en ordonnée. Les noyaux stables forment la vallée de stabilité : pour les noyaux légers, puis au-delà de . Un noyau situé au-dessous de la vallée (trop de neutrons) est ; au-dessus (trop de protons) il est ; les noyaux très lourds () sont le plus souvent émetteurs .
2Les désintégrations radioactives
Propriété — lois de conservation de Soddy. Dans toute désintégration, le nombre de nucléons et la charge se conservent.
- (émission d’un noyau d’hélium) : ex. : .
- (un neutron devient un proton) : ex. : .
- (un proton devient un neutron) : ex. : .
- (désexcitation, ni ni ne changent) : ex. : .
Remarque. L’émission accompagne souvent une désintégration ou : le noyau fils est produit dans un état excité, noté , qui se désexcite en émettant un photon très énergétique.
3Loi de décroissance radioactive
Propriété. Pour un très grand nombre de noyaux, le nombre de désintégrations pendant est proportionnel à :
où est la constante radioactive, en (ou ). C’est la solution de l’équation différentielle vérifiant .
Définition. La demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés :
Au bout de demi-vies, il reste noyaux.
Figure 1 — Décroissance radioactive : le nombre de noyaux est divisé par à chaque durée , quelle que soit la date de départ.
4Activité et datation
Définition. L’activité d’un échantillon est le nombre de désintégrations par seconde : , en becquerels (), valant une désintégration par seconde. Elle suit la même loi : .
Méthode — dater un échantillon. la mesure donne le rapport (ou ). On passe au logarithme :
Le radionucléide est choisi selon l’ordre de grandeur de la durée à mesurer (carbone 14, , pour l’archéologie ; potassium 40 ou uranium 238 pour la géologie).
5Applications et radioprotection
Propriété. En médecine, les émetteurs de courte demi-vie servent à l’imagerie (scintigraphie au technétium 99m), les émetteurs à la tomographie par émission de positons, les sources intenses (cobalt 60) à la radiothérapie, qui détruit les cellules tumorales.
Propriété — les trois principes de la radioprotection. Distance (l’intensité du rayonnement décroît rapidement avec la distance à la source), écran (une feuille de papier arrête les , quelques millimètres d’aluminium les , plusieurs centimètres de plomb atténuent les ) et durée d’exposition aussi courte que possible.
6Savoir-faire du chapitre
- Donner la composition d’un noyau , reconnaître des isotopes, situer un noyau dans le diagramme et prévoir son type de radioactivité.
- Écrire l’équation d’une désintégration , , ou d’une émission à l’aide des lois de conservation.
- Établir à partir de , et relier et .
- Calculer une activité, exploiter une courbe de décroissance, déterminer graphiquement.
- Dater un échantillon à partir d’un rapport d’activités ou de nombres de noyaux.
- Justifier un choix de radionucléide et les mesures de radioprotection adaptées.
7Exemples types
Le radium 226 est un émetteur : . Conservation : et : le noyau fils est le radon .
Iode 131, , donc . Pour , noyaux, d’où .
Le césium 137 a une demi-vie de . Au bout de , soit demi-vies, il reste , c’est-à-dire des noyaux initiaux ; l’activité est elle aussi divisée par .
Un fragment de bois a une activité massique égale à de celle d’un bois actuel. Avec :
- Confondre et : ce sont des grandeurs inverses l’une de l’autre, reliées par .
- Mélanger les unités : en impose en secondes (et en ).
- Croire que la radioactivité dépend de la température ou de la forme chimique : elle n’en dépend pas.
- Écrire une équation de désintégration sans vérifier la conservation de et de .
- Confondre activité (en , nombre de désintégrations par seconde) et nombre de noyaux restants.