📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
1. Structure du noyau : Un noyau est constitué de nucléons (protons et neutrons). On le note ${}_Z^A X$ où :
- $A$ : nombre de masse (nombre de nucléons).
- $Z$ : numéro atomique (nombre de protons).
- $N = A - Z$ : nombre de neutrons.
2. Radioactivité (Désintégrations) : Lors d'une désintégration, les lois de conservation de Soddy et Fajans s'appliquent (conservation de $A$ et $Z$) :
- Radioactivité $\alpha$ : Émission d'un noyau d'hélium ${}_2^4 \text{He}$.
- Radioactivité $\beta^-$ : Émission d'un électron ${}_{-1}^0 e$. Un neutron se transforme en proton.
- Radioactivité $\beta^+$ : Émission d'un positon ${}_{+1}^0 e$. Un proton se transforme en neutron.
- Radioactivité $\gamma$ : Émission d'un rayonnement électromagnétique (photon) pour passer d'un état excité à un état fondamental.
3. Loi de décroissance radioactive : Le nombre de noyaux $N(t)$ à l'instant $t$ est : $$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$$ Où $\lambda$ est la constante radioactive ($s^{-1}$ ou $h^{-1}$, etc.) et $N_0$ est le nombre initial de noyaux.
4. Demi-vie ($t_{1/2}$) : C'est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés : $$t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$$
5. Activité radioactive ($A$) : L'activité est le nombre de désintégrations par unité de temps : $$A(t) = \left| \frac{dN}{dt} \right| = \lambda N(t)$$ L'unité internationale est le Becquerel (Bq), où $1 \text{ Bq} = 1 \text{ désintégration/s}$.
6. Énergie de liaison ($E_l$) : L'énergie qui maintient les nucléons ensemble est liée au défaut de masse $\Delta m$ : $$\Delta m = [Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n] - m_{\text{noyau}}$$ $$E_l = \Delta m \cdot c^2$$ (Note : $1 \text{ u} \cdot c^2 \approx 931,5 \text{ MeV}$)
Méthodes à maîtriser
- Équilibrer une équation nucléaire : Appliquer $\sum A_{\text{gauche}} = \sum A_{\text{droite}}$ et $\sum Z_{\text{gauche}} = \sum Z_{\text{droite}}$.
- Calculer $\lambda$ ou $t_{1/2}$ : Utiliser la relation $t_{1/2} = \ln(2)/\lambda$.
- Déterminer $N(t)$ ou $A(t)$ : Utiliser la loi exponentielle. Attention à bien convertir les unités de temps (secondes pour les Bq).
- Calculer l'énergie de liaison par nucléon : Calculer $E_l$ puis diviser par $A$ ($E_l/A$).
Exemples corrigés
Exemple 1 : Un échantillon possède $N_0 = 10^{18}$ noyaux. Sa demi-vie est $t_{1/2} = 10 \text{ min}$. Combien de noyaux reste-t-il après $30 \text{ min}$ ? Corrigé : $30 \text{ min}$ correspond à $3$ demi-vies ($n = 30/10 = 3$). $N(t) = \frac{N_0}{2^n} = \frac{10^{18}}{2^3} = \frac{10^{18}}{8} = 1,25 \times 10^{17}$ noyaux.
Exemple 2 : Calculer le défaut de masse d'un noyau d'hélium ${}2^4 \text{He}$ sachant $m{\text{noyau}} = 4,0015 \text{ u}$, $m_p = 1,0073 \text{ u}$ et $m_n = 1,0087 \text{ u}$. Corrigé : $\Delta m = [2(1,0073) + 2(1,0087)] - 4,0015$ $\Delta m = [2,0146 + 2,0174] - 4,0015 = 4,0320 - 4,0015 = 0,0305 \text{ u}$.
Erreurs fréquentes
- Confusion entre $N(t)$ et $A(t)$ : $N$ est un nombre de particules (sans unité), $A$ est un débit (Bq).
- Oubli de la conversion d'unités : Utiliser des minutes dans une formule où $\lambda$ est en $s^{-1}$.
- Erreur de signe dans $\Delta m$ : Le défaut de masse est toujours positif ($\Delta m = m_{\text{nucléons}} - m_{\text{noyau}}$).
- Confusion $\beta^-$ et $\beta^+$ : En $\beta^-$, $Z$ augmente de 1. En $\beta^+$, $Z$ diminue de 1.