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Physique · Prépa concours post-bac — ISPITS (paramédical)

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

  • Noyau : Noté $^A_Z X$, avec $A$ (nombre de nucléons) et $Z$ (nombre de protons).
  • Loi de Soddy : Lors d'une désintégration, il y a conservation du nombre de nucléons ($A$) et de la charge ($Z$).
  • Loi de décroissance : $N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$.
  • Activité : $a(t) = \lambda N(t) = a_0 e^{-\lambda t}$.
  • Demi-vie ($t_{1/2}$) : Temps au bout duquel la moitié des noyaux s'est désintégrée : $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$.

Méthodes à maîtriser

  • Tracé de courbe : Savoir déterminer $t_{1/2}$ graphiquement (abscisse correspondant à $N_0/2$).
  • Calcul de $\lambda$ : Utiliser $t_{1/2}$ pour trouver $\lambda$ en $s^{-1}$.
  • Utilisation de la calculatrice : Maîtriser la touche exponentielle et le logarithme népérien ($\ln$).

Exemples corrigés

  • Calcul de $\lambda$ : Si $t_{1/2} = 10$ jours, $\lambda = \ln(2) / (10 \times 24 \times 3600) \approx 8,02 \times 10^{-7} s^{-1}$.
  • Calcul de $N(t)$ : Pour $t = 2 t_{1/2}$, $N(t) = N_0 e^{-\lambda (2 \ln 2 / \lambda)} = N_0 e^{-2 \ln 2} = N_0 / 4$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir le temps en secondes pour calculer $\lambda$.
  • Confondre $N(t)$ (nombre de noyaux) et $a(t)$ (activité).
  • Utiliser la calculatrice en mode degré au lieu de radian (bien que peu utile ici, c'est un réflexe à avoir).

🌉 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 restants dans l'échantillon à l'instant $t$.
  2. $a(t)$ est l'activité, c'est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde.
  3. La relation est $a(t) = \lambda N(t)$.

💡 À retenir : L'activité mesure la dangerosité ou l'intensité de la source, tandis que $N$ mesure la quantité de matière.

Kifach n7seb t{1/2} men l'mbyana ?
  1. Chouf l'qima l'qouswa dyal $N_0$ (f l'instant $t=0$).
  2. Qssm $N_0$ 3la 2 bach t-lqa $N(t_{1/2}) = N_0 / 2$.
  3. Dreb khat men $N_0/2$ 7ta t-tlaqa m3a l'mbyana, o hbet l't-tariikh $t$.

💡 À retenir : $t_{1/2}$ est l'abscisse du point d'ordonnée $N_0/2$.

Est-ce que la constante radioactive lambda change avec le temps ?

Non, $\lambda$ est une caractéristique propre à chaque noyau radioactif. Elle est constante et ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni de l'état chimique.

💡 À retenir : $\lambda$ est une constante physique fixe pour un isotope donné.

Wach l'activité kat-nqs bnafs l'watra f ga3 l'3aynat ?

Non, chaque élément radioactif a sa propre demi-vie ($t_{1/2}$). Certains éléments se désintègrent en quelques secondes, d'autres en des millions d'années.

💡 À retenir : Plus $t_{1/2}$ est petite, plus l'élément est instable et son activité diminue rapidement.

Pourquoi on utilise le Becquerel ?

Le Becquerel (Bq) est l'unité du Système International pour l'activité. 1 Bq correspond à une désintégration par seconde. C'est une unité très petite, donc on utilise souvent le MBq ou GBq.

💡 À retenir : 1 Bq = 1 désintégration / seconde.

Kifach n-khdem b l'calculatrice bach n-lqa e^{-lambda t} ?
  1. Tapez la valeur de $-\lambda \times t$.
  2. Appuyez sur la touche « shift » ou « 2nd » puis sur la touche « ln » (qui porte la fonction $e^x$ au-dessus).
  3. Le résultat est votre facteur de décroissance.

💡 À retenir : Vérifiez toujours que le résultat est compris entre 0 et 1.

Est-ce que la masse de l'échantillon change pendant la désintégration ?

Oui, car les noyaux radioactifs se transforment en d'autres noyaux (souvent plus légers ou stables). La masse totale diminue très légèrement.

💡 À retenir : La perte de masse est liée à l'énergie libérée selon $E = \Delta m c^2$.

Qu'est-ce qu'un rayonnement gamma ?

C'est une onde électromagnétique de très haute énergie émise par un noyau excité après une désintégration $\alpha$ ou $\beta$. Il n'y a pas de changement de $A$ ou $Z$.

💡 À retenir : Le rayonnement gamma est très pénétrant et dangereux.

Peut-on arrêter la radioactivité ?

Non, la désintégration est un phénomène spontané et aléatoire. On ne peut pas l'accélérer ni la ralentir avec des moyens physiques ou chimiques classiques.

💡 À retenir : La radioactivité est inéluctable.

C'est quoi la loi de Soddy ?

C'est le principe de conservation lors d'une réaction nucléaire :

  1. Conservation du nombre de charge $Z$.
  2. Conservation du nombre de masse $A$.

💡 À retenir : $\sum A_{réactifs} = \sum A_{produits}$ et $\sum Z_{réactifs} = \sum Z_{produits}$.

Pourquoi N(t) ne devient jamais zéro ?

Mathématiquement, la fonction exponentielle $e^{-\lambda t}$ tend vers zéro quand $t$ tend vers l'infini, mais ne l'atteint jamais. En pratique, après plusieurs demi-vies, le nombre de noyaux devient négligeable.

💡 À retenir : La décroissance est asymptotique.

Est-ce que tous les noyaux sont radioactifs ?

Non, seuls les noyaux instables sont radioactifs. Les noyaux stables ne se désintègrent pas spontanément.

💡 À retenir : La stabilité dépend du rapport entre le nombre de protons et de neutrons.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un échantillon de Cobalt 60 ($^{60}{27}Co$) a une activité initiale $a_0 = 10^9$ Bq. Sa demi-vie est $t{1/2} = 5,27$ ans.

  1. Calculer la constante radioactive $\lambda$ en $an^{-1}$ puis en $s^{-1}$.
  2. Calculer l'activité de l'échantillon après 10 ans.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Le noyau de Radium 226 se désintègre en Radon 222.

  1. Écrire l'équation de désintégration sachant qu'il s'agit d'une émission $\alpha$.
  2. Calculer l'énergie libérée par une désintégration en MeV. Données : $m(Ra)=225,9771 u$ ; $m(Rn)=221,9703 u$ ; $m(\alpha)=4,0015 u$ ; $1 u = 931,5 , MeV/c^2$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

On suit l'évolution d'un échantillon radioactif. À $t=0$, $N_0 = 10^{12}$ noyaux. À $t=20$ jours, il reste $N = 2,5 \times 10^{11}$ noyaux.

  1. Déterminer la constante radioactive $\lambda$.
  2. En déduire la demi-vie $t_{1/2}$.
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