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Physique · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

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

La radioactivité est une transformation nucléaire spontanée d'un noyau instable (père) en un noyau plus stable (fils) avec émission d'une particule ($\alpha, \beta^-, \beta^+$) et souvent d'un rayonnement $\gamma$.

  • Loi de décroissance : $N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$
  • Activité : $a(t) = \lambda N(t) = a_0 e^{-\lambda t}$ (unité : Becquerel Bq)
  • Demi-vie : $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$
  • Relation : $N(t_{1/2}) = \frac{N_0}{2}$

Méthodes à maîtriser

  1. Équilibrer une équation : Utiliser les lois de conservation de Soddy ($A$ et $Z$ se conservent).
  2. Calculer $\lambda$ : Toujours convertir $t_{1/2}$ dans la même unité que $\lambda$ (souvent $s^{-1}$).
  3. Exploiter le graphe : Savoir lire $N_0$ à $t=0$ et $t_{1/2}$ par la méthode de la tangente ou la moitié de l'ordonnée.

Exemples corrigés

Exemple : Un échantillon a $N_0 = 10^{20}$ noyaux. Si $t_{1/2} = 10$ ans, combien reste-t-il après 20 ans ? Réponse : $t = 20 = 2 \times t_{1/2}$. Donc $N(20) = N_0 / 2^2 = 10^{20} / 4 = 2,5 \times 10^{19}$ noyaux.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les unités de temps (jours, années en secondes).
  • Confondre $N(t)$ (nombre de noyaux restants) et $N_{désint} = N_0 - N(t)$ (nombre de noyaux désintégrés).
  • Utiliser la calculatrice en mode "Degré" au lieu de "Radian" pour les fonctions exponentielles (bien que $e^x$ ne nécessite pas d'angle, c'est une erreur classique sur d'autres chapitres).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Décroissance radioactive

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Quelle est l'unité de la constante radioactive λ\lambda ?

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre N(t) et a(t) ?
  1. $N(t)$ est le nombre de noyaux radioactifs encore présents dans l'échantillon à l'instant $t$.
  2. $a(t)$ est l'activité, c'est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde.
  3. Elles sont liées par $a(t) = \lambda N(t)$.

💡 À retenir : L'activité mesure la "vitesse" de désintégration, alors que $N(t)$ mesure la "quantité" restante.

Kifach n7seb lambda ila 3tani t{1/2} ?
  1. Tu utilises la formule $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$.
  2. Tu isoles $\lambda$ : $\lambda = \frac{\ln(2)}{t_{1/2}}$.
  3. Attention : si $t_{1/2}$ est en jours, $\lambda$ sera en jours$^{-1}$.

💡 À retenir : $\ln(2) \approx 0,693$.

Est-ce que la radioactivité dépend de la température ou de la pression ?

Non, la radioactivité est un phénomène purement nucléaire et aléatoire. Elle est indépendante des conditions extérieures (température, pression, état chimique).

💡 À retenir : La radioactivité est intrinsèque au noyau.

Chno hiya l-farq bin beta^- et beta^+ ?
  1. $\beta^-$ est l'émission d'un électron ($^0_{-1}e$) : un neutron devient un proton.
  2. $\beta^+$ est l'émission d'un positron ($^0_{+1}e$) : un proton devient un neutron.

💡 À retenir : $\beta^-$ augmente $Z$, $\beta^+$ diminue $Z$.

Comment lire t{1/2} sur un graphique N(t) ?
  1. Repérer la valeur initiale $N_0$ sur l'axe des ordonnées.
  2. Chercher la valeur $N_0 / 2$ sur l'axe des ordonnées.
  3. Projeter cette valeur sur la courbe, puis sur l'axe des abscisses pour trouver $t_{1/2}$.

💡 À retenir : La méthode de la tangente à l'origine est moins précise que la méthode de la moitié.

Wach l-mouda dyal l-3omr dyal l-nisf katbdel ila kberna l-3ayina ?

Non, la demi-vie est une caractéristique propre à chaque isotope radioactif. Elle ne change jamais, peu importe la quantité initiale.

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

Pourquoi on utilise souvent le Becquerel ?

Le Becquerel (Bq) est l'unité du système international pour l'activité. 1 Bq = 1 désintégration par seconde. C'est l'unité standard pour mesurer la dangerosité d'une source.

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

Est-ce que le nombre de noyaux peut devenir nul ?

Théoriquement, la fonction exponentielle $N_0 e^{-\lambda t}$ ne s'annule jamais. Pratiquement, au bout de plusieurs demi-vies (environ 10), l'activité devient indétectable.

💡 À retenir : Mathématiquement, $N(t)$ tend vers zéro quand $t \to \infty$.

C'est quoi la loi de Soddy ?

C'est la conservation du nombre de nucléons ($A$) et du nombre de charges ($Z$) lors d'une réaction nucléaire.

💡 À retenir : $\sum A_{gauche} = \sum A_{droite}$ et $\sum Z_{gauche} = \sum Z_{droite}$.

Kifach n7seb l-3adad dyal nawat N0 f 3ayina katltaha m?
  1. Calculer la quantité de matière $n = m / M$.
  2. Utiliser le nombre d'Avogadro $N_A$ : $N_0 = n \times N_A$.

💡 À retenir : $N_A \approx 6,02 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1}$.

Est-ce que le rayonnement gamma est dangereux ?

Oui, le rayonnement gamma est une onde électromagnétique très énergétique et très pénétrante. Il est souvent émis après une désintégration $\alpha$ ou $\beta$ pour désexciter le noyau fils.

💡 À retenir : Le gamma n'est pas une particule, c'est un photon.

Pourquoi on dit que la désintégration est aléatoire ?

On ne peut pas prédire quel noyau va se désintégrer à quel instant précis. On ne peut que prévoir statistiquement le comportement d'un grand nombre de noyaux.

💡 À retenir : C'est une loi statistique.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un échantillon de Carbone 14 a une activité initiale $a_0 = 100$ Bq. Sa demi-vie est $t_{1/2} = 5730$ ans.

  1. Calculer la constante radioactive $\lambda$ en an$^{-1}$.
  2. Calculer l'activité à $t = 11460$ ans.
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Exercice 2

Une source radioactive contient $N_0 = 4 \times 10^{15}$ noyaux. Après 24 heures, il reste $0,5 \times 10^{15}$ noyaux.

  1. Déterminer le nombre de demi-vies écoulées.
  2. Calculer la demi-vie $t_{1/2}$ en heures.
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Exercice 3

Soit l'équation : $^{226}{88}Ra \to ^{A}{Z}Rn + ^{4}_{2}He$.

  1. Déterminer $A$ et $Z$ en utilisant les lois de Soddy.
  2. Si on a 1g de Radium, calculer le nombre de noyaux initiaux $N_0$ (Masse molaire $M = 226$ g/mol).
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