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Physique · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Décroissance radioactive

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Loi de décroissance : $N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$.
  • Constante radioactive : $\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}}$ (en $s^{-1}$).
  • Activité : $a(t) = \lambda N(t) = a_0 e^{-\lambda t}$.
  • Demi-vie : $t_{1/2}$ est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés.
  • Lois de Soddy : Conservation du nombre de charge $Z$ et du nombre de masse $A$.

Méthodes à maîtriser

  • Passage de la masse $m(t)$ au nombre de noyaux $N(t)$ : $N(t) = \frac{m(t)}{M} N_A$.
  • Détermination graphique de $t_{1/2}$ à partir de la courbe $N(t)$ ou $a(t)$.
  • Utilisation de la calculatrice pour les fonctions exponentielles et logarithmes népériens.

Exemples corrigés

  • Calcul de $\lambda$ : Si $t_{1/2} = 5730$ ans, alors $\lambda = \frac{\ln 2}{5730} \approx 1,21 \times 10^{-4} \text{ an}^{-1}$.
  • Calcul de $N(t)$ : Pour $t = 2 t_{1/2}$, $N(t) = N_0 e^{-\lambda \frac{2 \ln 2}{\lambda}} = N_0 e^{-2 \ln 2} = N_0/4$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir $t_{1/2}$ en secondes si $\lambda$ est en $s^{-1}$.
  • Confondre $N(t)$ (noyaux restants) et $N_{dés}(t) = N_0(1 - e^{-\lambda t})$ (noyaux désintégrés).
  • Utiliser la calculatrice en mode degré au lieu de radian (bien que peu fréquent ici, attention aux calculs intermédiaires).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Décroissance radioactive

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La demi-vie est le temps au bout duquel :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'activité peut devenir nulle ?

Théoriquement, l'activité tend vers zéro quand $t$ tend vers l'infini ($a(t) = a_0 e^{-\lambda t}$). Pratiquement, au bout de plusieurs périodes, elle devient négligeable.

💡 À retenir : L'activité ne s'annule jamais mathématiquement.

Pourquoi utilise-t-on NA dans les calculs ?

Le nombre d'Avogadro $N_A$ permet de convertir la quantité de matière (en moles) en nombre de noyaux. Comme on ne peut pas compter les noyaux un par un, on passe par la masse $m$ ou la mole $n$.

💡 À retenir : $N = n \times N_A = \frac{m}{M} \times N_A$.

Kifach n3ref wach l'nawat beta^- aw beta^+ ?
  1. $\beta^-$ : L'nawat 3ndha fyd dyal neutronat (Z kaysgharr, A kaysbt).
  2. $\beta^+$ : L'nawat 3ndha fyd dyal protonat (Z kaykbr, A kaysbt).

💡 À retenir : $\beta^-$ émet un électron, $\beta^+$ émet un positron.

Est-ce que la constante radioactive dépend de la température ?

Non, la désintégration radioactive est un phénomène purement nucléaire et aléatoire. Elle ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni de l'état chimique de l'échantillon.

💡 À retenir : La constante $\lambda$ est propre à chaque noyau radioactif.

Kifach n7seb t{1/2} mn l'mbyan ila kan 3ndi l'mbyan dyal N(t) ?
  1. Chouf l'qima dyal $N_0$ (l'waqt $t=0$).
  2. Qssm $N_0$ 3la 2 (ya3ni $N_0/2$).
  3. Dreb l'khat l'ofqi mn $N_0/2$ hta tqiss l'mnhna.
  4. L'isqatt dyal had noqta 3la l'mihwar dyal l'waqt (t) kaysawi $t_{1/2}$.

💡 À retenir : $t_{1/2}$ est l'abscisse correspondant à l'ordonnée $N_0/2$.

Quelle est la différence entre activité et nombre de noyaux ?

Le nombre de noyaux $N(t)$ représente la quantité de matière radioactive présente à l'instant $t$. L'activité $a(t)$ représente la vitesse de désintégration, c'est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde.

💡 À retenir : $a(t) = \lambda N(t)$.

Chno hiya l'far9 bin l'nawat li katzd (fils) w l'nawat l'asliya ?

L'nawat l'asliya (père) hiya li katftt. L'nawat l'fils hiya l'nawat jdida li katwld mora l'tftt.

💡 À retenir : La somme des $A$ et des $Z$ se conserve entre le père et le fils + particule.

Comment calculer le nombre de noyaux désintégrés ?

Le nombre de noyaux désintégrés $N_d(t)$ est la différence entre le nombre initial et le nombre restant : $N_d(t) = N_0 - N(t) = N_0(1 - e^{-\lambda t})$.

💡 À retenir : $N_{restants} + N_{désintégrés} = N_0$.

Est-ce que la masse d'un échantillon radioactif diminue ?

Oui, car les noyaux radioactifs se transforment en noyaux fils. La masse totale diminue légèrement car une partie de l'énergie est libérée sous forme de rayonnement (défaut de masse).

💡 À retenir : La masse diminue au cours du temps.

Pourquoi on utilise le logarithme népérien dans les calculs ?

On utilise le $\ln$ pour "annuler" l'exponentielle. Par exemple, pour trouver $t$ dans $N = N_0 e^{-\lambda t}$, on fait $\ln(N/N_0) = -\lambda t$.

💡 À retenir : $\ln(e^x) = x$.

L'activité est-elle toujours en Becquerel ?

Oui, dans le système international, l'activité se mesure en Becquerel (Bq). 1 Bq correspond à une désintégration par seconde.

💡 À retenir : $1 \text{ Bq} = 1 \text{ s}^{-1}$.

Est-ce que la période radioactive change si on chauffe l'échantillon ?

Non, la période radioactive est une caractéristique intrinsèque du noyau. Elle ne dépend pas des conditions extérieures.

💡 À retenir : $t_{1/2}$ est une constante propre au nucléide.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un échantillon de Cobalt 60 a une activité initiale $a_0 = 10^9$ Bq. Sa demi-vie est $t_{1/2} = 5,27$ ans. Calculer l'activité de l'échantillon après 10 ans.

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Exercice 2

Une source radioactive contient initialement $N_0 = 10^{20}$ noyaux. Après 24 heures, il reste $2,5 \times 10^{19}$ noyaux. Calculer la demi-vie $t_{1/2}$ de cet isotope.

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Exercice 3

Un échantillon contient $m = 1$ mg de Carbone 14. Sachant que $t_{1/2} = 5730$ ans, calculer le nombre de désintégrations par seconde (activité) à $t=0$. (Données : $M(C) = 14$ g/mol, $N_A = 6,02 \times 10^{23}$ mol$^{-1}$).

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