Radioactivité et noyau atomique

Utiliser ses connaissances

Réponds à chaque question en écrivant l’équation complète et en vérifiant la conservation. Données — numéros atomiques : hélium He (2) ; carbone C (6) ; azote N (7) ; cobalt Co (27) ; radon Rn (86) ; radium Ra (88).

1. 1.Le radium 226 ($Z=88$) est radioactif α. Écris l’équation de sa désintégration et nomme le noyau formé.

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   ${}_{88}^{226}Ra⟶{}_{86}^{222}Rn+{}_2^{4}He$ : il se forme du radon 222.

   $222+4=226$ et $86+2=88$ : les deux sommes se conservent, et $Z=86$ désigne le radon. 1 point pour l’équation, 0,5 pour le nom.

2. 2.On suppose que le cobalt 60 ($Z=27$) est radioactif β⁻. Quels sont $A$ et $Z$ du noyau obtenu ? Est-ce encore du cobalt ?

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   $A=60$ et $Z=28$ : ce n’est plus du cobalt.

   En β⁻, un neutron devient un proton : le nombre de nucléons ne change pas, et $27+1=28$. Un autre $Z$, c’est un autre élément. 1 point pour $A$ et $Z$, 0,5 pour la conclusion.

3. 3.Un noyau inconnu X subit une désintégration β⁻ et donne de l’azote 14 ($Z=7$). Retrouve $A$ et $Z$ de X, puis identifie-le.

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   $A=14$ et $Z=6$ : X est du carbone 14.

   On remonte la conservation : $A$ ne change pas en β⁻, et $7-1=6$, le numéro atomique du carbone.

Exploiter un document

Observe le document 1, puis réponds. Chaque réponse s’appuie sur des valeurs du tableau.

1. 1.Source A : quels rayonnements émet-elle ? Justifie chaque conclusion par les valeurs du tableau.

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   α et γ : le papier fait passer le comptage de 80 à 40, l’aluminium ne change rien (40), le plomb le réduit à 2.

   La baisse due au papier révèle α ; l’absence de baisse avec l’aluminium montre qu’il n’y a pas de β ; ce qui traverse l’aluminium et n’est atténué que par le plomb, c’est γ. 0,5 point par conclusion justifiée.

2. 2.Source B : quels rayonnements émet-elle ? Justifie.

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   β seulement : le papier ne change rien (60), l’aluminium ramène le comptage à 0.

   Pas de baisse avec le papier, donc pas de α ; tout est arrêté par l’aluminium, donc pas de γ, qui l’aurait traversé.

3. 3.Source C : même question.

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   α et β : 40 des 70 ne passent pas le papier, et les 30 autres sont bloqués par l’aluminium.

   $70-30=40$ rayonnements arrêtés par le papier : c’est α. Les 30 autres traversent le papier, pas l’aluminium : c’est β. Rien ne passe l’aluminium, donc pas de γ.

4. 4.Pour la source A, l’écran de plomb ne ramène pas le comptage à zéro. Qu’en conclus-tu sur le rayonnement γ, et sur la manière de s’en protéger ?

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   Le plomb atténue γ sans l’arrêter complètement : l’écran ne suffit pas, il faut aussi limiter la durée d’exposition et s’éloigner.

   Le rayonnement γ est le plus pénétrant ; c’est pourquoi on combine les trois moyens de protection : temps, distance, écran.

5. 5.Les sources B et C doivent être rangées dans une boîte. Quel matériau suffit pour chacune ? Pourquoi une boîte en carton, aussi mince qu’une feuille de papier, ne convient-elle pas ?

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   Quelques millimètres d’aluminium suffisent pour B comme pour C ; le carton laisserait passer leurs rayonnements β.

   Le tableau le montre : derrière l’aluminium, les deux comptages tombent à 0, alors que le papier laisse passer 60 rayonnements de B et 30 de C. 1 point pour le choix justifié, 0,5 pour le carton.

Calculer et interpréter

Observe le document 2, puis réponds. Laisse apparents tes traits de lecture sur la courbe.

1. 1.Détermine graphiquement la demi-vie de cet isotope. Explique ta lecture.

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   6 h : la masse passe de 80 mg à 40 mg, sa moitié, en 6 h.

   On part de la masse initiale, on repère sa moitié sur l’axe vertical, puis on lit l’instant correspondant sur l’axe horizontal.

2. 2.Lis à quels instants la masse vaut 20 mg, puis 10 mg. Que constates-tu ?

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   20 mg à 12 h, 10 mg à 18 h : il faut encore 6 h à chaque fois pour diviser la masse par deux.

   La demi-vie ne dépend pas de la quantité restante : un noyau ne vieillit pas, et la moitié de ceux qui restent se désintègre à chaque demi-vie.

3. 3.Calcule la masse restante au bout de 30 h, puis vérifie sur la courbe.

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   $30÷6=5$ demi-vies ; la masse vaut alors 2,5 mg.

   Cinq demi-vies se sont écoulées : 80, 40, 20, 10, 5 puis 2,5. La courbe passe bien par 2,5 mg à 30 h, tout près de l’axe sans le toucher.

4. 4.Au bout de combien de temps ne reste-t-il que le seizième de la masse initiale ?

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   Un seizième de 80 mg, c’est 5 mg : quatre demi-vies, soit $4\times 6=24$ h.

   Un seizième, c’est la moitié de la moitié de la moitié de la moitié : quatre divisions par 2. La courbe passe bien par 5 mg à 24 h.

Calculer et interpréter

Tant qu’un arbre vit, la proportion de carbone 14 dans son bois reste constante ; après sa mort, elle diminue. La demi-vie du carbone 14 est de 5 730 ans. Sur un site où les couches les plus profondes sont les plus anciennes, on trouve deux charbons de bois : celui du foyer du haut contient la moitié de son carbone 14 de départ, celui du foyer du bas, le quart.

1. 1.Le carbone 12 et le carbone 14 sont isotopes. Explique pourquoi un arbre fixe le carbone 14 dans son bois exactement comme le carbone 12.

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   Ils ont le même numéro atomique, 6, donc les mêmes électrons : la chimie de l’arbre ne les distingue pas.

   Les propriétés chimiques dépendent des électrons, donc de $Z$ : le carbone 14 entre dans les molécules du bois comme le carbone 12.

2. 2.Calcule l’âge de chacun des deux charbons.

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   Foyer du haut : une demi-vie, environ 5 730 ans. Foyer du bas : deux demi-vies, $2\times 5730=11460$, environ 11 460 ans.

   La moitié correspond à une demi-vie ; le quart, à deux (100 %, puis 50 %, puis 25 %). 0,5 point pour le premier âge, 1 pour le second.

3. 3.Ces âges confirment-ils l’ordre des couches ? Justifie.

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   Oui : le foyer du bas, le plus profond, est aussi le plus ancien.

   Le charbon qui contient le moins de carbone 14 est mort depuis le plus longtemps ; il se trouve dans la couche la plus ancienne.

Écrire pour expliquer

Nolan prépare un exposé. Il se demande pourquoi des chercheurs du monde entier travaillent sur la fusion, alors que les centrales fonctionnent déjà grâce à la fission. Rédige un paragraphe de huit à dix lignes qui lui réponde en comparant les deux réactions.

1. 1.Je dis ce que la fission fait au noyau, et lequel elle utilise.

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   Elle brise un noyau lourd, l’uranium 235, sous l’impact d’un neutron.

   Casser un noyau lourd : c’est la définition de la fission, à illustrer par le noyau qu’utilisent les centrales.

2. 2.Je dis ce que la fusion fait aux noyaux, et lesquels elle utilise.

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   Elle réunit deux isotopes de l’hydrogène, très légers, en un seul noyau.

   La fusion fait l’inverse de la fission : elle assemble au lieu de casser.

3. 3.J’explique comment une centrale entretient la fission sans qu’elle s’emballe.

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   Chaque fission libère des neutrons qui en déclenchent d’autres ; le réacteur en absorbe une partie pour garder la maîtrise de cette chaîne.

   Sans absorption, chaque fission en déclencherait plusieurs autres et la réaction s’emballerait.

4. 4.Je situe la fusion : où elle se produit, et pourquoi elle ne fournit pas encore d’électricité.

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   Elle fait briller le Soleil et les étoiles ; sur Terre, elle exige des millions de degrés, et aucune installation ne produit encore d’électricité.

   C’est la difficulté technique, non le manque d’intérêt, qui explique que la fusion soit encore à l’état de recherche.

5. 5.Je compare les déchets des deux réactions.

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   La fission laisse des noyaux radioactifs pendant des milliers d’années ; la fusion n’en produit pas de comparables.

   C’est l’argument qui répond à Nolan : la fusion éviterait les déchets à longue demi-vie de la fission.

6. 6.Mon texte forme un paragraphe : une réponse annoncée, des connecteurs, une conclusion.

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   Ouverture possible : « Les chercheurs s’intéressent à la fusion parce qu’elle éviterait… » ; conclusion qui répond à Nolan.

   Un paragraphe se lit d’un seul tenant : il répond dès la première phrase et conclut à la dernière.