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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences Agronomiques

Les transformations nucléaires

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

1. La radioactivité : C'est un phénomène naturel et spontané où un noyau instable se transforme en un autre noyau en émettant des rayonnements.

  • $\alpha$ : Émission d'un noyau d'hélium $^4_2\text{He}$.
  • $\beta^-$ : Émission d'un électron $^0_{-1}e$.
  • $\beta^+$ : Émission d'un positron $^0_{+1}e$.
  • $\gamma$ : Émission d'un rayonnement électromagnétique (photon de haute énergie).

2. La loi de décroissance radioactive : Le nombre de noyaux $N(t)$ à un instant $t$ est donné par : $$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$$ Où :

  • $N_0$ est le nombre de noyaux initial à $t=0$.
  • $\lambda$ est la constante radioactive (en $\text{s}^{-1}$).

3. L'activité radioactive : L'activité $A(t)$ est le nombre de désintégrations par seconde. Elle s'exprime en Becquerel (Bq). $$A(t) = \lambda N(t)$$ D'où la relation : $A(t) = A_0 e^{-\lambda t}$ avec $A_0 = \lambda N_0$.

4. La période radioactive (demi-vie) $t_{1/2}$ : C'est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés ($N(t_{1/2}) = \frac{N_0}{2}$). $$t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$$

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer $\lambda$ à partir de $t_{1/2}$ : Utiliser la formule $\lambda = \frac{\ln(2)}{t_{1/2}}$.
  2. Déterminer $N(t)$ ou $A(t)$ : Utiliser la forme exponentielle $e^{-\lambda t}$. Attention à bien convertir le temps $t$ dans la même unité que $\lambda$ (souvent la seconde).
  3. Passer de la masse à l'activité : Utiliser la relation $N = \frac{m}{M} \cdot N_A$ (où $N_A$ est la constante d'Avogadro) pour trouver $N$, puis $A = \lambda N$.

Exemples corrigés

Exemple : Un échantillon possède $N_0 = 10^{18}$ noyaux. Sa période est $t_{1/2} = 10 \text{ min}$. Calculer le nombre de noyaux restants après $20 \text{ min}$.

Solution :

  1. On remarque que $t = 20 \text{ min}$ correspond à $2 \times t_{1/2}$.
  2. Après une période, il reste $N_0/2$. Après deux périodes, il reste $N_0/4$.
  3. $N(20) = \frac{10^{18}}{4} = 2,5 \times 10^{17}$ noyaux.

Erreurs fréquentes

  • Confusion entre $N$ et $A$ : $N$ est une quantité (nombre de noyaux), $A$ est une vitesse (désintégrations par seconde).
  • Oubli de l'unité de temps : Si $\lambda$ est en $\text{s}^{-1}$, le temps $t$ dans l'exponentielle doit être en secondes.
  • Erreur de signe : L'exposant doit toujours être négatif ($-\lambda t$) car la quantité diminue.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Les transformations nucléaires

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

❓ Questions fréquentes

Quelle est la relation entre lambda et t{1/2} ?
  1. $\lambda \cdot t_{1/2} = \ln(2)$.
  2. Plus $\lambda$ est grand, plus $t_{1/2}$ est petit.

💡 À retenir : C'est une relation d'inverse proportionnalité.

Peut-on mesurer la masse d'un échantillon radioactif ?
  1. Oui, en utilisant la relation $m = \frac{N \cdot M}{N_A}$.
  2. En connaissant $N(t)$, on peut calculer la masse restante à tout moment.

💡 À retenir : La masse diminue au fur et à mesure des désintégrations.

Quel est le rôle de l'émetteur beta^- ?
  1. Dans une désintégration $\beta^-$, un neutron se transforme en proton.
  2. Cela augmente le numéro atomique $Z$ de 1, mais le nombre de masse $A$ reste identique.

💡 À retenir : $^A_Z X \to ^A_{Z+1} Y + ^0_{-1}e$.

Chno hiya l-far9 bin N(t) ou A(t)?
  1. $N(t)$ est le nombre de noyaux présents à l'instant $t$ (c'est une quantité de matière).
  2. $A(t)$ est l'activité, c'est-à-dire la vitesse de désintégration (combien de noyaux se cassent par seconde).
  3. La relation est $A(t) = \lambda N(t)$.

💡 À retenir : $N$ est le stock, $A$ est le débit de consommation.

Kifach n7seb lambda ila 3andi t{1/2}?
  1. Utilise la formule directe : $\lambda = \frac{\ln(2)}{t_{1/2}}$.
  2. $\ln(2)$ vaut environ $0,693$.
  3. Attention à l'unité : si $t_{1/2}$ est en heures, $\lambda$ sera en $\text{h}^{-1}$.

💡 À retenir : $\lambda$ et $t_{1/2}$ sont inversement proportionnels.

Chno hiya l-madda li kat-t7ellel bzerba?
  1. Une matière qui se désintègre rapidement est une matière qui a une période radioactive $t_{1/2}$ très courte.
  2. Cela signifie que sa constante radioactive $\lambda$ est très grande.
  3. Son activité $A$ diminue très vite.

💡 À retenir : $t_{1/2}$ petit $\implies$ désintégration rapide.

Quelle est l'unité de l'activité ?
  1. L'unité internationale est le Becquerel (Bq).
  2. $1 \text{ Bq} = 1 \text{ désintégration par seconde}$.

💡 À retenir : Toujours vérifier que l'activité est en Bq dans les calculs.

Pourquoi la courbe de N(t) ne descend-elle jamais jusqu'à zéro ?
  1. Mathématiquement, la fonction $e^{-\lambda t}$ tend vers $0$ quand $t \to \infty$ mais ne l'atteint jamais.
  2. Physiquement, on finit par avoir un nombre fini de noyaux, mais la loi est une approximation statistique.

💡 À retenir : La décroissance est asymptotique.

Est-ce que le rayonnement gamma est une particule ?
  1. Non, le rayonnement $\gamma$ n'est pas une particule matérielle.
  2. C'est une onde électromagnétique (un photon) de très haute énergie.

💡 À retenir : $\alpha$ et $\beta$ sont des particules, $\gamma$ est une onde.

Comment trouver N0 si on connaît A0 et lambda ?
  1. On utilise la formule $A_0 = \lambda N_0$.
  2. On isole $N_0$ : $N_0 = \frac{A_0}{\lambda}$.

💡 À retenir : $N_0$ est le nombre de noyaux à l'instant initial.

Que signifie "radioactivité spontanée" ?
  1. Cela signifie que le noyau n'a pas besoin d'énergie extérieure pour se transformer.
  2. Le processus dépend uniquement de la nature instable du noyau lui-même.

💡 À retenir : On ne peut pas "arrêter" la radioactivité d'un échantillon.

Si je double le temps t, est-ce que l'activité est divisée par deux ?
  1. Non, car la décroissance est exponentielle, pas linéaire.
  2. L'activité est divisée par deux seulement si on augmente le temps de la valeur de la période $t_{1/2}$.

💡 À retenir : La décroissance suit une courbe, pas une droite.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Exercice 1 (Niveau Facile) : Un échantillon de Cobalt-60 possède une période radioactive $t_{1/2} = 5,27 \text{ ans}$.

  1. Calculer la constante radioactive $\lambda$ en $\text{an}^{-1}$.
  2. Si on possède $10^{20}$ noyaux au départ, combien de noyaux restera-t-il après $10,54 \text{ ans}$ ?

Exercice 2 (Niveau Moyen) : Un échantillon de Césium-137 a une activité initiale $A_0 = 3,7 \times 10^{10} \text{ Bq}$. Sa période est $t_{1/2} = 30 \text{ ans}$.

  1. Calculer $\lambda$ en $\text{s}^{-1}$ (Arrondir à $10^{-10} \text{ s}^{-1}$).
  2. Calculer le nombre de noyaux initial $N_0$.
  3. Calculer l'activité $A$ après $30 \text{ ans}$.

Exercice 3 (Niveau Examen National) : On considère un échantillon de Radium-226. On sait que sa masse initiale est $m_0 = 1,0 \text{ g}$. Sa période est $t_{1/2} = 1600 \text{ ans}$.

  1. Calculer le nombre de noyaux initial $N_0$ (Données : $M(\text{Ra}) = 226 \text{ g/mol}$ ; $N_A = 6,02 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1}$).
  2. Déterminer la constante radioactive $\lambda$ en $\text{an}^{-1}$.
  3. Calculer la masse $m(t)$ de l'échantillon après $3200 \text{ ans}$.
  4. Calculer l'activité $A$ de l'échantillon à cet instant $t = 3200 \text{ ans}$ (Donner le résultat en Bq, attention aux unités de temps).
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