Physique-Chimie — Terminale

Radioactivité et transformations nucléaires — Terminale Physique-Chimie

Cours complet sur la radioactivité en Terminale : structure du noyau, stabilité nucléaire, types de radioactivité (α, β−, β+, γ), loi de décroissance…

Par ProfBot

Radioactivité et transformations nucléaires — Terminale Physique-Chimie

Introduction

La radioactivité est la propriété que possèdent certains noyaux atomiques instables de se transformer spontanément en émettant des rayonnements. Découverte par Henri Becquerel en 1896, puis étudiée par Pierre et Marie Curie, elle a révolutionné notre compréhension de la matière et ouverte la voie à des applications majeures : énergie nucléaire, médecine nucléaire, datation…

Chiffres clés :


1. Structure du noyau et notation

Composition du noyau

Le noyau atomique est constitué de nucléons :

Notation standard d'un noyau :

$^A_Z X$

où :

Exemples :

Isotopes : Noyaux d'un même élément (même Z) mais avec des nombres de neutrons différents (A différent). Ex : ¹²C et ¹⁴C sont deux isotopes du carbone.

Stabilité des noyaux

Les noyaux stables occupent une zone appelée vallée de stabilité dans le diagramme (Z, N) :

Les noyaux hors de la vallée de stabilité sont instables → ils se transforment spontanément pour se rapprocher d'un état stable : c'est la radioactivité.


2. Les types de radioactivité

Radioactivité alpha (α)

Émission : Un noyau père émet un noyau d'hélium ⁴₂He (= particule α).

Équation générale : $^A_Z X \rightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2He$

Lois de conservation :

Exemple — Désintégration de l'uranium-238 : $^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^4_2He$

Caractéristiques :

Radioactivité bêta moins (β⁻)

Émission : Un neutron se transforme en proton avec émission d'un électron e⁻ et d'un antineutrino ν̄.

Au niveau du noyau : $^A_Z X \rightarrow ^A_{Z+1} Y + ^0_{-1}e + \bar{\nu}$

Conservation :

Exemple — Désintégration du carbone-14 : $^{14}_6C \rightarrow ^{14}_7N + ^0_{-1}e + \bar{\nu}$

Concerne : Noyaux avec trop de neutrons (à gauche de la vallée de stabilité)

Pénétration : Arrêtée par quelques mm d'aluminium ou quelques mètres d'air.

Radioactivité bêta plus (β⁺)

Émission : Un proton se transforme en neutron avec émission d'un positon e⁺ et d'un neutrino ν.

$^A_Z X \rightarrow ^A_{Z-1} Y + ^0_{+1}e + \nu$

Concerne : Noyaux avec trop de protons (à droite de la vallée de stabilité)

Application médicale : TEP (tomographie par émission de positons) — imagerie médicale.

Rayonnement gamma (γ)

Émission : Un noyau dans un état excité (noté *) se désexcite en émettant un photon γ (rayonnement électromagnétique de très haute énergie).

$^A_Z X^* \rightarrow ^A_Z X + \gamma$

Particularité : Pas de changement de Z ni de A — le noyau reste le même mais perd de l'énergie.

Accompagne souvent les désintégrations α et β.

Pénétration : Très pénétrant — atténué par plusieurs cm de plomb ou plusieurs mètres de béton.

Tableau récapitulatif

TypeParticule émiseVariation ZVariation APénétration
α⁴He−2−4Très faible (papier)
β⁻électron+10Faible (alu)
β⁺positon−10Faible
γphoton00Très élevée (plomb)

3. La loi de décroissance radioactive

Caractère aléatoire et statistique

La désintégration radioactive est un phénomène :

La loi de décroissance

Si N(t) est le nombre de noyaux radioactifs à l'instant t :

$\boxed{N(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}}$

où :

Activité A(t) : Nombre de désintégrations par seconde (unité : Becquerel, Bq = 1 désintégration/s) : $A(t) = \lambda \cdot N(t) = A_0 \cdot e^{-\lambda t}$

La demi-vie (période radioactive) T₁/₂

La demi-vie T₁/₂ est le temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs se sont désintégrés :

$N(T_{1/2}) = \frac{N_0}{2}$

Relation entre T₁/₂ et λ :

$\boxed{T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda} \approx \frac{0{,}693}{\lambda}}$

Demi-vies de quelques radionucléides :

RadionucléideDemi-vieApplication
²¹⁰Po (polonium)138 jours—
¹³¹I (iode)8 joursTraitement thyroïde
¹⁴C (carbone 14)5 730 ansDatation archéologique
²³⁸U (uranium)4,5 milliards d'annéesDatation géologique
²²⁶Ra (radium)1 600 ans—
⁶⁰Co (cobalt)5,27 ansRadiothérapie

Calcul pratique

Après n demi-vies : $N(n \cdot T_{1/2}) = \frac{N_0}{2^n}$

Exemple : Un échantillon contient 800 mg d'iode-131 (T₁/₂ = 8 jours). Combien reste-t-il après 32 jours ?

n = 32/8 = 4 demi-vies

N = 800 / 2⁴ = 800 / 16 = 50 mg

Datation par le carbone-14

Principe :

Calcul de l'âge :

En mesurant l'activité actuelle A et connaissant l'activité initiale A₀ :

$t = \frac{T_{1/2}}{\ln 2} \cdot \ln\frac{A_0}{A}$

Limite : Efficace pour des âges de 300 à ~50 000 ans. Au-delà, trop peu de ¹⁴C reste détectable.


4. Énergie nucléaire — Défaut de masse

La relation masse-énergie d'Einstein

$\boxed{E = mc^2}$

où c = 3 × 10⁸ m/s. Cette équation dit que la masse est une forme d'énergie.

Unités pratiques :

Le défaut de masse

La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons séparés. Cette différence est le défaut de masse Δm :

$\Delta m = Z \cdot m_p + N \cdot m_n - m_{noyau}$

Énergie de liaison : $E_{liaison} = \Delta m \cdot c^2$

C'est l'énergie qu'il faudrait fournir pour désintégrer complètement le noyau en nucléons séparés (ou, inversement, l'énergie libérée lors de la formation du noyau).

Énergie de liaison par nucléon E_l/A : Mesure la stabilité du noyau — plus elle est grande, plus le noyau est stable.

Maximum autour de A ≈ 56 (fer-56 ⁵⁶Fe) : le noyau de fer est le plus stable.

Conséquences : fission et fusion

Fission (noyaux lourds → noyaux plus légers) :

Fusion (noyaux légers → noyaux plus lourds) :


5. Applications et protection

Applications médicales

Radiothérapie : Utilisation de rayonnements γ (cobalt-60) ou de faisceaux de particules pour détruire les cellules cancéreuses (plus radiosensibles que les cellules saines).

Curiethérapie : Implantation de sources radioactives directement dans ou près de la tumeur.

Médecine nucléaire (diagnostic) :

Stérilisation médicale : Irradiation par γ de matériel médical (seringues, instruments chirurgicaux) pour les stériliser sans chaleur.

Énergie nucléaire

Réacteur à eau pressurisée (REP) — modèle français :

  1. Le cœur du réacteur chauffe de l'eau sous pression (circuit primaire) par fission de ²³⁵U
  2. L'eau chaude transfère sa chaleur à un générateur de vapeur (circuit secondaire)
  3. La vapeur entraîne une turbine → alternateur → électricité
  4. Un circuit tertiaire refroidit la vapeur (tours aéroréfrigérantes)

Avantages du nucléaire :

Inconvénients :

Dangers et protection

Effets biologiques des rayonnements : Les rayonnements ionisants arrachent des électrons aux molécules biologiques → ruptures de liaisons → dommages à l'ADN → mutations, cancers, mort cellulaire.

Dose efficace (unité : Sievert, Sv) : tient compte du type de rayonnement et des tissus irradiés.

Principes de protection (règle des 3D) :

  1. Distance : l'intensité diminue en 1/r² (loi des carrés inverses)
  2. Durée : minimiser le temps d'exposition
  3. Écran (blindage) : papier pour α, aluminium pour β, plomb/béton pour γ

Résumé — Ce qu'il faut absolument retenir

✅ Notation : ᴬ_Z X, A = nombre de masse, Z = numéro atomique, N = A−Z neutrons

✅ Radioactivité α : émission ⁴He, Z−2, A−4 — noyaux lourds

✅ Radioactivité β⁻ : émission e⁻, Z+1, A constant — excès de neutrons

✅ Radioactivité β⁺ : émission e⁺, Z−1, A constant — excès de protons

✅ Radioactivité γ : photon, Z et A inchangés — désexcitation

✅ Loi de décroissance : N(t) = N₀·e^(−λt), T₁/₂ = ln2/λ

✅ Après n demi-vies : N = N₀/2ⁿ

✅ Défaut de masse : Δm = Z·mₚ + N·mₙ − m_noyau ; E = Δm·c²

✅ Fission (lourds → légers + énergie) vs fusion (légers → lourds + encore plus d'énergie)

✅ Applications : datation ¹⁴C, TEP, radiothérapie, réacteurs nucléaires

✅ Protection : distance, durée, écran (α: papier; β: alu; γ: plomb)


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