La radioactivité

Introduction

Certains noyaux sont instables : ils se transforment spontanément en émettant un rayonnement. C’est la radioactivité, à l’origine de la datation au carbone 14, de l’imagerie médicale et de l’énergie nucléaire.

Dans ce chapitre, tu vas découvrir les types de radioactivité, les équations de désintégration et la notion de demi-vie.

I. Noyaux instables et types de radioactivité

Un noyau radioactif est instable : il se désintègre spontanément en se transformant en un autre noyau et en émettant un rayonnement.

On distingue trois types de radioactivité :

• radioactivité α : émission d’un noyau d’hélium ⁴₂He (appelé particule α) ;
• radioactivité β⁻ : émission d’un électron ⁰₋₁e ;
• radioactivité γ : émission d’un rayonnement électromagnétique très énergétique (souvent juste après une désintégration α ou β).

II. Les équations de désintégration

À chaque désintégration, deux grandeurs se conservent : le nombre de masse A (en haut) et le numéro atomique Z (en bas). On équilibre l’équation grâce à ces deux conservations.

Désintégration α. ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He (le noyau perd 4 nucléons et 2 protons)

Désintégration β⁻. ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e (un neutron se transforme en proton, le numéro atomique augmente de 1)

III. La demi-vie et la décroissance radioactive

Les désintégrations sont aléatoires : on ne peut pas prévoir quand un noyau donné va se désintégrer. Mais sur un grand nombre de noyaux, on observe une décroissance régulière, caractérisée par la demi-vie.

Demi-vie t½. La demi-vie (ou période radioactive) est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs initialement présents se sont désintégrés.

À chaque demi-vie, le nombre de noyaux restants est donc divisé par deux : N₀ → N₀/2 → N₀/4 → N₀/8… La demi-vie varie énormément selon le noyau (de la fraction de seconde à des milliards d’années).

L’essentiel à retenir

À retenir.

• Un noyau radioactif est instable et se désintègre en émettant un rayonnement.
• Trois types : α (noyau d’hélium ⁴₂He), β⁻ (électron), γ (rayonnement électromagnétique).
• On équilibre une équation de désintégration par conservation de A et de Z.
• Demi-vie t½ : durée au bout de laquelle la moitié des noyaux se sont désintégrés (le nombre de noyaux est divisé par 2 à chaque t½).

Exercices

Exercice 1 — Les types de radioactivité

Associe chaque type de radioactivité à ce qui est émis :

1. radioactivité α
2. radioactivité β⁻
3. radioactivité γ

(réponses possibles : un électron · un noyau d’hélium · un rayonnement électromagnétique)

Exercice 2 — Équilibrer une désintégration

Le radium 226 se désintègre par radioactivité α selon : ²²⁶₈₈Ra → ᴬ_Z Rn + ⁴₂He

1. En utilisant la conservation du nombre de masse A, trouve A.
2. En utilisant la conservation du numéro atomique Z, trouve Z.

Exercice 3 — Demi-vie

Un échantillon contient initialement N₀ noyaux radioactifs.

1. Combien en reste-t-il après une demi-vie ?
2. Combien en reste-t-il après deux demi-vies ?
3. Combien en reste-t-il après trois demi-vies ?

Exercice 4 — Lecture de la décroissance

Sur une courbe de décroissance, on lit qu’il faut 8 jours pour passer de N₀ à N₀/2.

1. Que vaut la demi-vie de ce noyau ?
2. Au bout de combien de jours ne restera-t-il plus que N₀/4 des noyaux ?

Corrigés

Corrigé de l’exercice 1

1. Radioactivité α : émission d’un noyau d’hélium (⁴₂He).
2. Radioactivité β⁻ : émission d’un électron.
3. Radioactivité γ : émission d’un rayonnement électromagnétique.

Corrigé de l’exercice 2

1. Conservation de A : 226 = A + 4, donc A = 222.
2. Conservation de Z : 88 = Z + 2, donc Z = 86. L’équation est : ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He.

Corrigé de l’exercice 3

1. Après une demi-vie : il reste N₀/2 noyaux.
2. Après deux demi-vies : il reste N₀/4 noyaux.
3. Après trois demi-vies : il reste N₀/8 noyaux.

Corrigé de l’exercice 4

1. La demi-vie est la durée pour passer de N₀ à N₀/2 : t½ = 8 jours.
2. Pour atteindre N₀/4, il faut deux demi-vies, soit 2 × 8 = 16 jours.