La radioactivité (version 1)

1 - Une longue histoire de la matière

UN NIVEAU d'ORGANISATION

LES ELEMENTS CHIMIQUES

Act 2 : La radioactivité

Parmi tous les noyaux formés dans les étoiles, certains sont stables et d'autres non.

Qu'EsT CE QUE LA RADIOACTIVITE et comment évolue un échantillon DE NOYAUX radioactifS dans le temps ?

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index

1. Découverte de la radioactivité

2. Le phénomène de radioactivité

3. Evolution temporelle d'un échantillon de noyaux ra radioactifs

3.1 Décroissance radioactive

3.2 Demi-vie radioactive

4. La radioactivité en médecine

Découverte de la radioactivité

Doc 1 : découverte de la radioactivité

Doc 2 : les travaux d'Henri Becquerel

Vidéo : la découverte de la radioactivité

Physicien français (1852 - 1908) : en cherchant les raisons de la phosphorescence il découvre la radioactivité naturelle.

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Doc 3 : Marie et Pierre Curie

Vocabulaire : Phosphorescence

Marie Curie (1867 - 1934) physicienne et chimiste française d'origine polonaire

Pierre Curie (1859 - 1906) physicien français

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Doc 4 : une brève histoire de la radioactivité

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Questions 1.1 Pourquoi peut-on dire que la radioactivité a été découverte de manière fortuite ? 1.2 Donner une définition de la radioactivité. 1.3 Relever les grandes étapes de la découverte de la radioactivité. 1.4 Citer quelques applications de la radioactivité aujourd'hui.

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Le phénomène de radioactivité

Parmi les 2 800 types de noyaux connus à ce jour, seuls 256 sont stables : ils n'évoluent pas dans le temps et gardent toujours la même composition. Les autres noyaux son instables, ils sont dits "radioactifs".

Doc 1 : la radioactivité : phénomène naturel, spontané et aléatoire

Certains noyaux sont instables car ils ont un excès de protons ou de neutrons ou tout simplement trop de nucléons. Ils se transforment alors spontanément, mais sans qu'il soit possible de prévoir l'instant, en d'autres noyaux : on parle de désintégration radioactive. Cette désintégration s'accompage de l'émission de particules chargées ( - : électrons - + : positons - : noyaux d'hélium) et de rayonnements électromagnétiques (qui peuvent être dangereux).

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Doc 2 : exemple : désintégration du carbone 14

Le carbone 14 (Z = 6) est un noyau radioactif instable, qui présente un excès de neutrons. Dans son noyau, un neutron se transforme en proton en éjectant un électron. Le noyau fils stable obtenu est le noyau d’azote 14 (Z = 7). Le noyau ainsi formé se désexcite ensuite en émettant un rayonnement gamma.

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Doc 3 : la radioactivité : phénomène naturel au coeur de la vie

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La radioactivié est naturelle (on ne peut l'empécher et elle a lieu dans notre environnement). L'être humain est soumis à la radioactivité naturelle provenant de la Terre et de l'espace. Les rayonnements émis sont suffisamment faibles pour que cette radioactivité ne présente pas de danger. Quelques sources de radioactivité sont présentées dans l'animation.

Sources de radioactivité naturelle sur Terre

Information : 1 béquerel = 1 Bq signifie qu'il y a pour un échantillon donné 1 désintégration par seconde

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Questions 2.1 Pourquoi certains noyaux sont-ils instables ? 2.2 Comment qualifie t-on les noyaux instables ? 2.3 Qu'est ce qui vous permet d'affimer que la radioactivité est un phénomène naturel ? Citer la radioactivité de quelques objets du quotidien. 2.4 Pouquoi peut-on dire que la radioactivité est un phénomène aléatoire ? spontané ? 2.5 Qu'appele t-on noyau père ? noyau fils ? 2.6 Donner une définition précise d'une désintégration radioactive. Préciser de quoi s'accompagne la désintégration d'un noyau radioactif ?

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Questions 2.7 Application : le noyau de carbone 2.7.1 Donner la composition d'un noyau de carbone 14 (Z = 6). Indiquer son écriture symbolique AZX. Justifier le caractère radioactif de ce noyau de carbone. 2.7.2 Donner la composition d'un noyau d'azote (Z = 7). Indiquer son écriture symbolique AZX. 2.7.3 A l'aide du document 2 et sachant que l'écriture symbolique d'un électron se note 0-1e, proposer une écriture de l'équation de désintégration du carbone 14. Aide : dans une équation de désintégration, il y a conservation du nombre de nucléons A et du nombre de protons Z.

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Evolution temporelle d'un échantillon de noyaux radioactifs

3.1 Décroissance radioactive

L'instant de désintégration d'un noyau radioactif est aléatoire. Mais lorsque le nombre de noyaux radioactifs d'un échantillon devient très grand, l'évolution statistique de ce nombre de noyaux respecte une loi de probabilité.

Animation

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Questions On se propose de simuler le comportement d'un échantillon de noyaux radioactifs à l'aide de l'animation. On suit alors l'évolution de la population de noyaux dans le temps. 3.1.1 Paramétrer un échantillon contenant 1 seul noyau radioactif. Lancer l'animation à plusieurs reprises (10 fois par exemple) et noter vos observations. Que remarque t-on ? Vos résultats confirment-ils le caractère aléatoire d'une désintégration radioactive ? 3.1.2 Répéter la manipulation avec un échantillon contenant maintenant 25 noyaux. Que se passe t-il ? 3.1.3 Répéter la manipulation mais cette fois avec un échantillon de 100 puis de 1000 noyaux. Que remarque t-on ? Que peut-on en conclure ? 3.1.4 Quelle fonction mathématique modélise l'évolution temporelle d'un échantillon de noyaux radioactifs ? On parle de décroissance radioactive. Représenter l'allure de la courbe.

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3.2 Demi-vie radioactive

Tout échantillon de noyaux radioactifs suit la même loi d'évolution exponentielle de décroissance dans le temps mais la "vitesse" de désintégration des noyaux dépend de la nature des noyaux. Afin de comparer les différentes espèces radioactives, on mesure leur demi-vie notée t1/2.

Définition : notion de demi-vie

Le nombre de noyaux restants au bout de n demi-vies, noté Nn est donné par la relation : avec N0 : nombre noyaux initial n : nombre de demi-vie

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Questions 3.2.1 Pour un échantillon de 160 noyaux, calculer le nombre de noyaux N1 restants au bout de une demi-vie puis N2, N3 et N4 au bout de 2, 3 et 4 demi-vies. 3.2.2 Définir par une phrase le temps de demi-vie noté t1/2. 3.2.3 A partir de l'animation précédente (paramètres : 1 000 noyaux - constante radioactive 0,25), déterminer la demi-vie de cet échantillon de noyaux radioactifs. Représenter l'allure de la courbe de décroissance radioactive sur votre compte rendu et faire apparaître graphiquement t1/2. 3.2.4 En changeant le nombre de noyaux intial comment le temps de demi-vie évolue t-il ? Quel paramètre fait varier la demi-vie ? 3.2.5 Modifier la constante radioactive de l'échantillon (cela permet de changer la nature des noyaux radioactifs) : par exemple choisir 0,8. Lancer la désintégration et déterminer la demi-vie de ce nouvel échantillon. 3.2.6 Comparer les demi-vies des 2 échantillons. Que peut-on en conclure ?

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Questions 3.2.6 A partir de la courbe de décroissance radioactive du carbone 14, répondre au questions suivantes : - Quelle est la demi-vie t1/2 du carbone 14 ? - Que signifie ce temps ? - Peut-on estimer le temps pour qu'un échantillon de noyaux radioactifs de carbone 14 soit stable ?

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La radioactivité en médecine

La radioactivité est très utilisée en imagerie médicale (radioagraphie, scintigraphie, tomographie ...).

Doc 1 : principe de la scintigraphie

Doc 3 : décroissance radioactive de l'iode 123

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Doc 2 : scintigraphie de la thyroïde

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Questions 4.1 Déterminer la demi-vie t1/2 de l'iode 123. 4.2 Montrer que la dose d'iode 123 injectée à un patient n'a plus d'effet au bout de 7demi-vies de l'iode 123.

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Le phosphore blanc, placé dans l'obscurité, produit une faible lumière due à sa lente oxydation au contact de l'air. Ce terme est maintenant réservé à l'émission de lumière pendant une durée assez courte, par des substances préalablement illuminées. D'autres substances sont capables de restituer en très peu de temps, la lumière qu'elles ont reçue : on parle alors de "fluorescence". Henri Becquerel utilisait des substances fluorescentes qu'il qualifait de "phosphorescentes" dans ses textes.

Travaillant en tandem, il explore la radioactivité afin d'expliquer le phénomène. Ils découvrent 2 éléments : le polonium et le radium. Marie Curie est la 1ère femme reconnue par la communauté scientifique internationnale.