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Transformations nucléaires

Physique-Chimie · 2ème Bac Sciences de la Vie et de la Terre · 14 exercices

Méthode officielle

Écrire une équation de désintégration en respectant les lois de conservation (Soddy : Z et A), exploiter la décroissance radioactive N = N0.exp(-lambda.t), la demi-vie t(1/2) = ln2/lambda, et calculer une énergie de liaison ou une énergie libérée via E = |delta m|.c^2.

L'intuition

Imagine que tu as un sac rempli de billes de verre, mais certaines de ces billes sont un peu "fragiles" et peuvent se casser spontanément à tout moment, sans raison apparente. Quand une bille se casse, elle se transforme en deux morceaux plus petits et plus stables. C'est un peu ça, la radioactivité : des noyaux atomiques sont instables, et pour devenir plus stables, ils se "cassent" (se désintègrent) en d'autres noyaux, en émettant des particules.

Ce phénomène est aléatoire pour une bille donnée (on ne sait pas quand elle va se casser), mais si tu as un très grand nombre de billes, tu peux prédire qu'après un certain temps, la moitié d'entre elles seront cassées. Ce temps, c'est la "demi-vie". C'est comme ça qu'on peut dater des objets anciens : en mesurant combien de billes "fragiles" il reste par rapport au début.

L'énergie libérée, c'est un peu comme si quand une bille se casse, une petite étincelle d'énergie est produite. Cette énergie vient du fait que les morceaux sont un peu moins lourds que la bille entière. C'est la fameuse relation d'Einstein E=mc2E=mc^2 : une petite perte de masse se transforme en une grande quantité d'énergie.

Le cours

I. Stabilité et instabilité des noyaux atomiques

Un noyau atomique est constitué de protons (charge positive) et de neutrons (charge nulle), collectivement appelés nucléons. Le nombre de protons est le numéro atomique ZZ. Le nombre de nucléons est le nombre de masse AA. Un noyau est noté ZAX^A_Z X, où XX est le symbole de l'élément chimique.

Isotopes : Des noyaux sont isotopes s'ils ont le même nombre de protons (ZZ) mais des nombres de neutrons différents (donc des nombres de masse AA différents). Par exemple, le chlore 1735Cl^{35}_{17}\text{Cl} et le chlore 1737Cl^{37}_{17}\text{Cl} sont des isotopes.

Stabilité nucléaire : La stabilité d'un noyau dépend du rapport entre son nombre de neutrons et son nombre de protons. Les noyaux instables sont dits radioactifs. Ils se désintègrent spontanément pour former des noyaux plus stables.

II. Les transformations nucléaires spontanées (radioactivité)

La radioactivité est la transformation spontanée d'un noyau atomique instable (noyau père) en un noyau plus stable (noyau fils), avec émission de particules et/ou de rayonnements.

A. Les types de désintégration radioactive

  1. Radioactivité α\alpha (alpha) : Émission d'un noyau d'hélium 24He^4_2\text{He} (particule α\alpha). Équation générale : ZAXZ2A4Y+24He^A_Z X \to ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2\text{He} Exemple : 92238U90234Th+24He^{238}_{92}\text{U} \to ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\text{He}

  2. Radioactivité β\beta^- (bêta moins) : Émission d'un électron 10e^0_{-1}e (particule β\beta^-). Un neutron se transforme en proton. Équation générale : ZAXZ+1AY+10e^A_Z X \to ^A_{Z+1} Y + ^0_{-1}e Exemple : 53131I54131Xe+10e^{131}_{53}\text{I} \to ^{131}_{54}\text{Xe} + ^0_{-1}e

  3. Radioactivité β+\beta^+ (bêta plus) : Émission d'un positon +10e^0_{+1}e (particule β+\beta^+). Un proton se transforme en neutron. Équation générale : ZAXZ1AY++10e^A_Z X \to ^A_{Z-1} Y + ^0_{+1}e Exemple : 918F818O++10e^{18}_{9}\text{F} \to ^{18}_{8}\text{O} + ^0_{+1}e

  4. Radioactivité γ\gamma (gamma) : Émission d'un rayonnement électromagnétique de haute énergie (photon γ\gamma). Elle accompagne souvent les désintégrations α\alpha ou β\beta lorsque le noyau fils est dans un état excité. Équation générale : ZAYZAY+γ^A_Z Y^* \to ^A_Z Y + \gamma (où YY^* est un noyau excité).

B. Les lois de conservation (lois de Soddy)

Lors de toute transformation nucléaire, il y a conservation :

  • Du nombre de masse AA (nombre total de nucléons).
  • Du nombre de charge ZZ (nombre total de protons).

Ces lois permettent de déterminer les caractéristiques du noyau fils ou de la particule émise.

III. La loi de décroissance radioactive

La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire et spontané. Pour un grand nombre de noyaux, le nombre de désintégrations par unité de temps est proportionnel au nombre de noyaux présents.

A. Constante radioactive (λ\lambda)

Chaque isotope radioactif est caractérisé par une constante radioactive λ\lambda, exprimée en s1s^{-1} ou an1an^{-1}, qui représente la probabilité de désintégration par unité de temps.

B. Loi de décroissance du nombre de noyaux

Le nombre de noyaux radioactifs N(t)N(t) restant à l'instant tt est donné par :

N(t)=N0eλtN(t) = N_0 e^{-\lambda t}

N0N_0 est le nombre de noyaux radioactifs à l'instant initial t=0t=0.

C. Demi-vie (t1/2t_{1/2})

La demi-vie (ou période radioactive) t1/2t_{1/2} est le temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs initialement présents se sont désintégrés. À t=t1/2t = t_{1/2}, on a N(t1/2)=N0/2N(t_{1/2}) = N_0 / 2. En utilisant la loi de décroissance : N0/2=N0eλt1/2N_0 / 2 = N_0 e^{-\lambda t_{1/2}} 1/2=eλt1/21/2 = e^{-\lambda t_{1/2}} ln(1/2)=λt1/2\ln(1/2) = -\lambda t_{1/2} ln2=λt1/2-\ln 2 = -\lambda t_{1/2}

t1/2=ln2λt_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}

D. Activité radioactive (AA)

L'activité radioactive A(t)A(t) d'un échantillon est le nombre de désintégrations par seconde.

A(t)=dNdt=λN(t)A(t) = \left| \frac{dN}{dt} \right| = \lambda N(t)

L'unité de l'activité est le Becquerel (Bq), 1 Bq=1 deˊsinteˊgration/seconde1 \text{ Bq} = 1 \text{ désintégration/seconde}. Comme N(t)=N0eλtN(t) = N_0 e^{-\lambda t}, on a :

A(t)=λN0eλt=A0eλtA(t) = \lambda N_0 e^{-\lambda t} = A_0 e^{-\lambda t}

A0=λN0A_0 = \lambda N_0 est l'activité initiale à t=0t=0.

IV. Énergie des transformations nucléaires

A. Défaut de masse (Δm\Delta m)

Le défaut de masse d'un noyau est la différence entre la somme des masses de ses nucléons pris isolément et la masse du noyau. Pour un noyau ZAX^A_Z X :

Δm=(Zmp+(AZ)mn)mX\Delta m = (Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n) - m_X

mpm_p est la masse d'un proton, mnm_n la masse d'un neutron et mXm_X la masse du noyau XX. Le défaut de masse est toujours positif (Δm>0\Delta m > 0).

B. Énergie de liaison (ElE_l)

L'énergie de liaison ElE_l est l'énergie qu'il faut fournir pour séparer un noyau en ses nucléons isolés. Elle est liée au défaut de masse par la relation d'Einstein :

El=Δmc2E_l = \Delta m \cdot c^2

cc est la célérité de la lumière dans le vide (c3×108 m/sc \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}). L'énergie de liaison est souvent exprimée en MeV (Mégaélectronvolt). 1 uc2=931,5 MeV1 \text{ u} \cdot c^2 = 931,5 \text{ MeV}. (u est l'unité de masse atomique).

C. Énergie de liaison par nucléon (El/AE_l/A)

L'énergie de liaison par nucléon est un indicateur de la stabilité d'un noyau. Plus El/AE_l/A est grande, plus le noyau est stable.

El/A=Δmc2AE_l/A = \frac{\Delta m \cdot c^2}{A}

D. Énergie libérée lors d'une transformation nucléaire (ElibeˊreˊeE_{libérée})

Lors d'une transformation nucléaire, il y a une variation de masse Δmreˊaction\Delta m_{réaction}. Cette variation de masse est convertie en énergie selon la relation d'Einstein.

Elibeˊreˊe=Δmreˊactionc2E_{libérée} = |\Delta m_{réaction}| \cdot c^2

Δmreˊaction=(mproduits)(mreˊactifs)\Delta m_{réaction} = (\sum m_{produits}) - (\sum m_{réactifs}). Si Δmreˊaction<0\Delta m_{réaction} < 0, de l'énergie est libérée (réaction exothermique). Si Δmreˊaction>0\Delta m_{réaction} > 0, de l'énergie est absorbée (réaction endothermique). Dans le cas des désintégrations radioactives, de l'énergie est toujours libérée.

Exemple résolu

Reprenons un extrait d'annale :

Exercice 1 : Désintégration de Strontium 90 Le Strontium 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} est l’un des principaux noyaux se trouvant dans les déchets des réacteurs nucléaires électrogènes. 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} se désintègre en Yttrium Y en émettant une particule β\beta^-. Il est très nocif quand la particule est inhalée ou ingérée. Le noyau 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} est l’un des isotopes de l’élément Strontium.

Données : m(3890Sr)=89,90773 um(^{90}_{38}\text{Sr}) = 89,90773 \text{ u} m(3990Y)=89,90714 um(^{90}_{39}\text{Y}) = 89,90714 \text{ u} m(10e)=0,0005 um(^0_{-1}e) = 0,0005 \text{ u} mp=1,00728 um_p = 1,00728 \text{ u} mn=1,00866 um_n = 1,00866 \text{ u} Demi-vie de 90Sr^{90}\text{Sr} : t1/2=28,9 anst_{1/2} = 28,9 \text{ ans} 1 u=931,5 MeV/c21 \text{ u} = 931,5 \text{ MeV/c}^2 Énergie de liaison du noyau 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} : El(3890Sr)=768,47 MeVE_l(^{90}_{38}\text{Sr}) = 768,47 \text{ MeV} 1 an=365 jours1 \text{ an} = 365 \text{ jours}

Questions :

  1. Écrire l'équation de désintégration de 90Sr^{90}\text{Sr} en précisant les valeurs de AA et ZZ du noyau fils Y.
  2. Calculer, en unité MeV, l'énergie de liaison El(3990Y)E_l(^{90}_{39}\text{Y}) du noyau Y.
  3. Déterminer, en justifiant, le noyau le plus stable parmi 90Sr^{90}\text{Sr} et 90Y^{90}\text{Y}.
  4. Un échantillon de Strontium 90 a une activité initiale A0=5,11×107 BqA_0 = 5,11 \times 10^7 \text{ Bq} à l'instant t0=0t_0 = 0. 4.1. Calculer le nombre N0N_0 des noyaux présents initialement dans cet échantillon. 4.2. Déterminer l'instant tt pour lequel l'activité de cet échantillon devient A=10%A0A = 10\% A_0.

Correction détaillée :

1. Équation de désintégration : Le Strontium 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} se désintègre en Yttrium Y par émission β\beta^-. La particule β\beta^- est un électron 10e^0_{-1}e. L'équation s'écrit : 3890SrZAY+10e^{90}_{38}\text{Sr} \to ^A_Z \text{Y} + ^0_{-1}e

Appliquons les lois de Soddy :

  • Conservation du nombre de masse AA: 90=A+0A=9090 = A + 0 \Rightarrow A = 90
  • Conservation du nombre de charge ZZ: 38=Z+(1)Z=3938 = Z + (-1) \Rightarrow Z = 39

Le noyau fils est donc 3990Y^{90}_{39}\text{Y}. L'équation complète est : 3890Sr3990Y+10e^{90}_{38}\text{Sr} \to ^{90}_{39}\text{Y} + ^0_{-1}e

2. Calcul de l'énergie de liaison El(3990Y)E_l(^{90}_{39}\text{Y}) : Pour calculer l'énergie de liaison, il faut d'abord calculer le défaut de masse Δm(3990Y)\Delta m(^{90}_{39}\text{Y}). Le noyau 3990Y^{90}_{39}\text{Y} contient Z=39Z=39 protons et AZ=9039=51A-Z = 90-39 = 51 neutrons. Δm(3990Y)=(Zmp+(AZ)mn)m(3990Y)\Delta m(^{90}_{39}\text{Y}) = (Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n) - m(^{90}_{39}\text{Y}) Δm(3990Y)=(391,00728+511,00866)89,90714\Delta m(^{90}_{39}\text{Y}) = (39 \cdot 1,00728 + 51 \cdot 1,00866) - 89,90714 Δm(3990Y)=(39,28392+51,44166)89,90714\Delta m(^{90}_{39}\text{Y}) = (39,28392 + 51,44166) - 89,90714 Δm(3990Y)=90,7255889,90714=0,81844 u\Delta m(^{90}_{39}\text{Y}) = 90,72558 - 89,90714 = 0,81844 \text{ u}

Maintenant, convertissons ce défaut de masse en énergie de liaison : El(3990Y)=Δm(3990Y)c2E_l(^{90}_{39}\text{Y}) = \Delta m(^{90}_{39}\text{Y}) \cdot c^2 Sachant que 1 uc2=931,5 MeV1 \text{ u} \cdot c^2 = 931,5 \text{ MeV}, El(3990Y)=0,81844×931,5=762,27 MeVE_l(^{90}_{39}\text{Y}) = 0,81844 \times 931,5 = 762,27 \text{ MeV}

3. Détermination du noyau le plus stable : Pour comparer la stabilité, on calcule l'énergie de liaison par nucléon (El/AE_l/A). Pour 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} : El(3890Sr)=768,47 MeVE_l(^{90}_{38}\text{Sr}) = 768,47 \text{ MeV} (donnée) A=90A = 90 El/A(3890Sr)=768,4790=8,5385 MeV/nucleˊonE_l/A(^{90}_{38}\text{Sr}) = \frac{768,47}{90} = 8,5385 \text{ MeV/nucléon}

Pour 3990Y^{90}_{39}\text{Y} : El(3990Y)=762,27 MeVE_l(^{90}_{39}\text{Y}) = 762,27 \text{ MeV} (calculé précédemment) A=90A = 90 El/A(3990Y)=762,2790=8,4697 MeV/nucleˊonE_l/A(^{90}_{39}\text{Y}) = \frac{762,27}{90} = 8,4697 \text{ MeV/nucléon}

Comparaison : El/A(3890Sr)>El/A(3990Y)E_l/A(^{90}_{38}\text{Sr}) > E_l/A(^{90}_{39}\text{Y}). Le noyau 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr} a une énergie de liaison par nucléon plus élevée que 3990Y^{90}_{39}\text{Y}. Donc, le noyau le plus stable est 3890Sr^{90}_{38}\text{Sr}.

(Note : Il y a une petite incohérence dans l'énoncé qui indique que le Strontium se désintègre pour devenir plus stable, mais les calculs montrent l'inverse. C'est un cas où il faut suivre les données et les calculs rigoureusement, même si le résultat semble contredire l'introduction. L'examen teste la méthode.)

4.1. Calcul du nombre N0N_0 de noyaux initialement présents : On a l'activité initiale A0=5,11×107 BqA_0 = 5,11 \times 10^7 \text{ Bq}. On sait que A0=λN0A_0 = \lambda N_0, donc N0=A0/λN_0 = A_0 / \lambda. Il faut d'abord calculer λ\lambda. On a t1/2=28,9 anst_{1/2} = 28,9 \text{ ans}. λ=ln2t1/2\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} λ=ln228,9 ans\lambda = \frac{\ln 2}{28,9 \text{ ans}} Pour que λ\lambda soit en s1s^{-1} (pour être cohérent avec les Bq), il faut convertir la demi-vie en secondes : t1/2=28,9 ans×365 jours/an×24 h/jour×3600 s/ht_{1/2} = 28,9 \text{ ans} \times 365 \text{ jours/an} \times 24 \text{ h/jour} \times 3600 \text{ s/h} t1/2=9,11×108 st_{1/2} = 9,11 \times 10^8 \text{ s} λ=ln29,11×108 s=0,6939,11×1087,607×1010 s1\lambda = \frac{\ln 2}{9,11 \times 10^8 \text{ s}} = \frac{0,693}{9,11 \times 10^8} \approx 7,607 \times 10^{-10} \text{ s}^{-1}

Maintenant, calculons N0N_0: N0=A0λ=5,11×107 Bq7,607×1010 s1N_0 = \frac{A_0}{\lambda} = \frac{5,11 \times 10^7 \text{ Bq}}{7,607 \times 10^{-10} \text{ s}^{-1}} N06,717×1016 noyauxN_0 \approx 6,717 \times 10^{16} \text{ noyaux}

4.2. Détermination de l'instant tt pour lequel A=10%A0A = 10\% A_0 : On utilise la loi de décroissance de l'activité : A(t)=A0eλtA(t) = A_0 e^{-\lambda t}. On veut A(t)=0,10A0A(t) = 0,10 A_0. 0,10A0=A0eλt0,10 A_0 = A_0 e^{-\lambda t} 0,10=eλt0,10 = e^{-\lambda t} ln(0,10)=λt\ln(0,10) = -\lambda t t=ln(0,10)λ=ln(10)λt = -\frac{\ln(0,10)}{\lambda} = \frac{\ln(10)}{\lambda}

On a λ=ln2t1/2\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}}, donc t=ln(10)ln2/t1/2=t1/2ln(10)ln2t = \frac{\ln(10)}{\ln 2 / t_{1/2}} = t_{1/2} \frac{\ln(10)}{\ln 2} t=28,9 ans×2,3020,693t = 28,9 \text{ ans} \times \frac{2,302}{0,693} t=28,9 ans×3,322t = 28,9 \text{ ans} \times 3,322 t96,0 anst \approx 96,0 \text{ ans}

La méthode

Voici les étapes clés pour résoudre les problèmes de transformations nucléaires, comme attendu à l'examen :

  1. Écrire l'équation de désintégration :

    • Identifie le noyau père et la particule émise (par exemple, β\beta^- est 10e^0_{-1}e, α\alpha est 24He^4_2\text{He}).
    • Note le noyau fils avec des inconnues ZAX^A_Z X.
    • Applique les lois de Soddy (conservation de AA et ZZ) pour trouver AA et ZZ du noyau fils.
    • Écris l'équation complète.
  2. Calculer l'énergie de liaison (ElE_l) ou le défaut de masse (Δm\Delta m) :

    • Détermine le nombre de protons (ZZ) et de neutrons (AZA-Z) du noyau.
    • Calcule le défaut de masse Δm=(Zmp+(AZ)mn)mnoyau\Delta m = (Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n) - m_{noyau}.
    • Convertis le défaut de masse en énergie de liaison El=Δmc2E_l = \Delta m \cdot c^2. Utilise la conversion 1 uc2=931,5 MeV1 \text{ u} \cdot c^2 = 931,5 \text{ MeV}.
  3. Comparer la stabilité des noyaux :

    • Calcule l'énergie de liaison par nucléon (El/AE_l/A) pour chaque noyau à comparer.
    • Le noyau avec la plus grande énergie de liaison par nucléon est le plus stable.
  4. Calculer l'énergie libérée (ElibeˊreˊeE_{libérée}) lors d'une réaction :

    • Calcule la variation de masse de la réaction : Δmreˊaction=(mproduits)(mreˊactifs)\Delta m_{réaction} = (\sum m_{produits}) - (\sum m_{réactifs}).
    • L'énergie libérée est Elibeˊreˊe=Δmreˊactionc2E_{libérée} = |\Delta m_{réaction}| \cdot c^2. Si Δmreˊaction\Delta m_{réaction} est en u, utilise la conversion 1 uc2=931,5 MeV1 \text{ u} \cdot c^2 = 931,5 \text{ MeV}.
  5. Exploiter la loi de décroissance radioactive :

    • Calculer λ\lambda à partir de t1/2t_{1/2} : λ=ln2t1/2\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}}. Assure-toi que les unités sont cohérentes (par exemple, si t1/2t_{1/2} est en années, λ\lambda sera en an1an^{-1}).
    • Calculer N(t)N(t) ou A(t)A(t) : Utilise N(t)=N0eλtN(t) = N_0 e^{-\lambda t} ou A(t)=A0eλtA(t) = A_0 e^{-\lambda t}.
    • Calculer N0N_0 à partir de A0A_0 : N0=A0/λN_0 = A_0 / \lambda. Attention aux unités : si A0A_0 est en Bq (s1s^{-1}), λ\lambda doit être en s1s^{-1}.
    • Déterminer un temps tt : Si on te donne N(t)/N0N(t)/N_0 ou A(t)/A0A(t)/A_0, utilise N(t)N0=eλt\frac{N(t)}{N_0} = e^{-\lambda t} pour trouver t=ln(N(t)/N0)λt = -\frac{\ln(N(t)/N_0)}{\lambda}.

Pièges classiques

  • Oubli des lois de Soddy : Ne pas vérifier la conservation de AA et ZZ peut conduire à une équation de désintégration fausse. Toujours vérifier Areˊactifs=AproduitsA_{réactifs} = A_{produits} et Zreˊactifs=ZproduitsZ_{réactifs} = Z_{produits}.

  • Erreur dans le calcul du défaut de masse : Le défaut de masse est toujours positif. Si tu trouves un Δm\Delta m négatif pour un noyau, c'est une erreur. C'est (masse des nucléons isolés) - (masse du noyau).

  • Confusion entre ElE_l et El/AE_l/A : L'énergie de liaison (ElE_l) est pour le noyau entier. L'énergie de liaison par nucléon (El/AE_l/A) est pour comparer la stabilité.

  • Unités : C'est le piège le plus fréquent.

    • Pour E=Δmc2E = |\Delta m| c^2: si Δm\Delta m est en kg, EE est en Joules. Si Δm\Delta m est en u, utilise la conversion 1 uc2=931,5 MeV1 \text{ u} \cdot c^2 = 931,5 \text{ MeV}.
    • Pour λ\lambda et t1/2t_{1/2}: si t1/2t_{1/2} est en années, λ\lambda est en an1an^{-1}. Si tu utilises AA en Bq (s1s^{-1}), λ\lambda doit être en s1s^{-1}. Convertis t1/2t_{1/2} en secondes si nécessaire.
  • Confondre masse de l'atome et masse du noyau : Souvent, les données sont des masses atomiques. Pour le défaut de masse, on utilise la masse du noyau. Cependant, dans les calculs d'énergie libérée, la masse des électrons s'annule si on considère des atomes neutres et des particules β\beta^- ou β+\beta^+. Pour la β\beta^- par exemple, m(X)m(Y)+m(e)m(X) \to m(Y) + m(e). Si on utilise les masses atomiques, on a matome(X)=mnoyau(X)+Zmem_{atome}(X) = m_{noyau}(X) + Z \cdot m_e. Et matome(Y)=mnoyau(Y)+(Z+1)mem_{atome}(Y) = m_{noyau}(Y) + (Z+1) \cdot m_e. Δmreˊaction=(mnoyau(Y)+me)mnoyau(X)\Delta m_{réaction} = (m_{noyau}(Y) + m_e) - m_{noyau}(X) Δmreˊaction=(matome(Y)(Z+1)me+me)(matome(X)Zme)\Delta m_{réaction} = (m_{atome}(Y) - (Z+1)m_e + m_e) - (m_{atome}(X) - Z m_e) Δmreˊaction=(matome(Y)Zme)(matome(X)Zme)\Delta m_{réaction} = (m_{atome}(Y) - Z m_e) - (m_{atome}(X) - Z m_e) Δmreˊaction=matome(Y)matome(X)\Delta m_{réaction} = m_{atome}(Y) - m_{atome}(X). Donc, pour la désintégration β\beta^-, on peut utiliser directement les masses atomiques. Pour la β+\beta^+, c'est matome(Y)+2mematome(X)m_{atome}(Y) + 2m_e - m_{atome}(X). Pour l'alpha, c'est matome(Y)+matome(He)matome(X)m_{atome}(Y) + m_{atome}(He) - m_{atome}(X). Le plus sûr est de toujours utiliser les masses des noyaux et des particules. Si les masses atomiques sont données, il faut être vigilant. Dans les exercices du Bac, souvent, les masses d'électrons sont négligeables ou les masses atomiques sont données de manière à simplifier le calcul. Si mem_e est donnée, il faut l'utiliser.

  • Calcul de tt à partir de A=10%A0A = 10\% A_0 : A(t)=A0eλtA(t) = A_0 e^{-\lambda t}

    0.1A0=A0eλt0.1 A_0 = A_0 e^{-\lambda t}

    0.1=eλt0.1 = e^{-\lambda t}

    ln(0.1)=λt\ln(0.1) = -\lambda t

    t=ln(0.1)λ=ln(10)λt = -\frac{\ln(0.1)}{\lambda} = \frac{\ln(10)}{\lambda}

    Ne pas oublier le signe moins ou se tromper dans les propriétés du logarithme.

Ce qui tombe à l'examen

Le chapitre des transformations nucléaires représente environ 8% de la note totale en Physique-Chimie. C'est un chapitre court et très ciblé. Les questions sont souvent directes et suivent un schéma classique.

Formats de questions réels :

  1. Écriture d'équation de désintégration :

    • Donner le type de désintégration (ex: β\beta^-) et le noyau père.
    • Demander d'écrire l'équation en précisant AA et ZZ du noyau fils.
    • Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Écrire l’équation de désintégration de l’or 79198Au^{198}_{79}\text{Au} en précisant les valeurs de AA et ZZ." (0,5 point)
    • Exemple (annale 2020 SVT) : "Le type de désintégration : 212Pb212Bi+X^{212}\text{Pb} \to ^{212}\text{Bi} + \text{X}. D'après les lois de Soddy : ... La particule émise est l'électron 10e^0_{-1}e; donc le type de désintégration est β\beta^-. " (0,5 point)
  2. Calcul d'énergie de liaison ou d'énergie libérée :

    • Calculer l'énergie de liaison d'un noyau à partir des masses des nucléons et du noyau.
    • Calculer l'énergie libérée lors d'une désintégration à partir des masses des réactifs et des produits.
    • Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Vérifier que la valeur de l'énergie de liaison El(79198Au)E_l(^{198}_{79}\text{Au}) est égale à 1525,53 MeV." (0,5 point)
    • Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Calculer, en unité MeV, l'énergie libérée Elibeˊreˊe=ΔEE_{libérée} = |\Delta E| par la réaction de désintégration d'un noyau d'or 198." (0,5 point)
  3. Comparaison de stabilité nucléaire :

    • Calculer El/AE_l/A pour deux noyaux et conclure sur leur stabilité.
    • Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Justifier que le noyau 80198Hg^{198}_{80}\text{Hg} est plus stable que le noyau 79198Au^{198}_{79}\text{Au}." (0,5 point)
  4. Application de la loi de décroissance radioactive :

    • Calcul de λ\lambda à partir de t1/2t_{1/2} ou inversement.
    • Calcul du nombre de noyaux N(t)N(t) ou de l'activité A(t)A(t) à un instant donné.
    • Calcul de l'instant tt pour une activité ou un nombre de noyaux donné.
    • Exemple (annale 2020 SVT) : "Calculer le nombre de noyaux de bismuth 212Bi^{212}\text{Bi} à t0t_0 restant." (0,5 point)
    • Exemple (annale 2020 SVT) : "La période radioactive t1/2t_{1/2}." (0,75 point)
    • Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Déterminer l'activité AA de la dose après 28 jours de l'injection." (0,5 point)

Barème et attendus :

  • Clarté et rigueur : Les équations doivent être écrites proprement, les lois de Soddy clairement appliquées.
  • Formules littérales : Toujours écrire la formule littérale avant l'application numérique. C'est une consigne systématique.
  • Unités : Ne jamais oublier les unités dans les résultats numériques. Une réponse sans unité est considérée comme fausse ou incomplète.
  • Chiffres significatifs : Respecter le nombre de chiffres significatifs des données.
  • Justification : Toute affirmation (ex: stabilité, type de désintégration) doit être justifiée par un calcul ou une loi.

Ce chapitre est un bon moyen de gagner des points car les questions sont prévisibles. Maîtrise bien les formules, les conversions d'unités et la méthode de résolution pas à pas.

Exercices corrigés

Exercice 1·Facile

Compléter l'équation de désintégration bêta moins suivante et identifier le noyau X: 614CZAX+10e{}^{14}_{6}\text{C} \to {}^{A}_{Z}\text{X} + {}^{0}_{-1}\text{e}

Voir la correction

714N{}^{14}_{7}\text{N} (Azote)

  1. Appliquer la loi de conservation du nombre de masse (A). 2. Appliquer la loi de conservation du nombre de charge (Z). 3. Identifier le noyau X.
Exercice 2·Facile

Compléter l'équation de désintégration alpha suivante et identifier le noyau X: 92238UZAX+24He{}^{238}_{92}\text{U} \to {}^{A}_{Z}\text{X} + {}^{4}_{2}\text{He}

Voir la correction

90234Th{}^{234}_{90}\text{Th} (Thorium)

  1. Appliquer la loi de conservation du nombre de masse (A). 2. Appliquer la loi de conservation du nombre de charge (Z). 3. Identifier le noyau X.
Exercice 3·Facile

Donner le nom de la particule correspondant à chaque symbole: a) 24Hea) \ {}^{4}_{2}\text{He} b) 10eb) \ {}^{0}_{-1}\text{e} c) 00γc) \ {}^{0}_{0}\gamma

Voir la correction

a) Particule alpha (ou noyau d’heˊlium)a) \ \text{Particule alpha (ou noyau d'hélium)} b) Eˊlectron (ou particule beˆta moins)b) \ \text{Électron (ou particule bêta moins)} c) Photon gamma (ou rayonnement gamma)c) \ \text{Photon gamma (ou rayonnement gamma)}

  1. Reconnaître le symbole de chaque particule. 2. Associer le symbole à son nom.
Exercice 4·Moyen

Le carbone 14 a une demi-vie t1/2=5730t_{1/2} = 5730 ans. Un échantillon de bois ancien présente une activité égale à 25 % de celle d'un bois vivant équivalent. Estimer l'âge du bois. Donnée : ln2=0.693\ln 2 = 0.693.

Voir la correction

lambda = ln2/t(1/2) = 0.693/5730 = 1.21x10^-4 an^-1. A/A0 = 0.25 = (1/2)^2 -> t = 2 . t(1/2) = 2 x 5730 = 1.146x104x10^4 ans, soit environ 1.1x104x10^4 ans (11 460 ans).

L'activité suit A = A0.exp(-lambda.t) ; quand A/A0 = (1/2)^n l'âge est t = n.t(1/2).

Exercice 5·Moyen

Exercice 1 (2,5 points): Âge d'une nappe phréatique Le chlore existe dans la nature sous forme de trois isotopes : le chlore 1735Cl^{35}_{17}Cl, le chlore 1736Cl^{36}_{17}Cl et le chlore 1737Cl^{37}_{17}Cl. Dans les eaux de surface (mers, lacs,...), le chlore 36 est constamment renouvelé et sa teneur peut être supposée constante. Dans le cas des eaux de nappes phréatiques, le renouvellement n'existe plus et la proportion en chlore 36 diminue au cours du temps. Données:

Noyau ou particuleÉlectronChlore 1736Cl^{36}_{17}ClArgon 1836Ar^{36}_{18}Ar
Masse en (u)0,00054935,96831235,967545

1u=931,5MeV.c21u=931,5 MeV.c^{-2} Constante radioactive du chlore 36: λ=2,30.106ans1\lambda = 2,30.10^{-6}ans^{-1}

Noyau1735Cl^{35}_{17}Cl1736Cl^{36}_{17}Cl1737Cl^{37}_{17}Cl
Énergie de liaison par nucléon (MeV / nucléon)8,51788,51968,5680

0,25 1. Recopier sur votre copie le numéro de la question et écrire la lettre correspondante à la proposition vraie. La composition du noyau de chlore 1736Cl^{36}_{17}Cl est:

A 17 protons et 35 neutrons B 18 protons et 17 neutrons C 17 protons et 18 neutrons D 18 protons et 35 neutrons

0,5 2. Déterminer, en justifiant votre réponse, le noyau le plus stable parmi 1735Cl^{35}_{17}Cl, 1736Cl^{36}_{17}Cl et 1737Cl^{37}_{17}Cl. 3. Le chlore 36 radioactif, donne en se désintégrant un noyau d'argon 1836Ar^{36}_{18}Ar. 0,5 3.1. Écrire l'équation de désintégration d'un noyau de chlore 36 et identifier le type de cette désintégration. 0,5 3.2. Calculer, en unité (MeV), l'énergie libérée Elibeˊreˊe=ΔEE_{libérée} = |\Delta E| au cours de la désintégration d'un noyau de chlore 36. 0,75 4. Un échantillon de volume VeV_e, des eaux de surface, contient N0N_0 noyaux de chlore 36. Un échantillon de même volume VeV_e, d'eau issue d'une nappe phréatique ne contient que 38% du nombre de noyaux de chlore 36 trouvé dans les eaux de surface. Déterminer, en unité (ans), l'âge de la nappe phréatique.

Voir la correction
  1. C
  2. Le noyau le plus stable est 1737Cl^{37}_{17}Cl car il a la plus grande énergie de liaison par nucléon (8,5680 MeV/nucléon). 3.1. 1736Cl1836Ar+10e^{36}_{17}Cl \to ^{36}_{18}Ar + ^0_{-1}e. C'est une désintégration de type β\beta^-. 3.2. Elibeˊreˊe=(m(1736Cl)m(1836Ar)m(e))c2=(35,96831235,9675450,000549)×931,5=0,202MeVE_{libérée} = (m(^{36}_{17}Cl) - m(^{36}_{18}Ar) - m(e))c^2 = (35,968312 - 35,967545 - 0,000549) \times 931,5 = 0,202 MeV.
  3. t=1λln(N0N)=12,30×106ln(10,38)=4,17×105t = \frac{1}{\lambda} \ln(\frac{N_0}{N}) = \frac{1}{2,30 \times 10^{-6}} \ln(\frac{1}{0,38}) = 4,17 \times 10^5 ans.
  1. Déterminer le nombre de protons (Z) et de neutrons (A-Z) pour le chlore 36.
  2. Comparer les énergies de liaison par nucléon pour identifier le noyau le plus stable. 3.1. Écrire l'équation de désintégration en conservant le nombre de masse et le nombre atomique, puis identifier le type de désintégration. 3.2. Calculer l'énergie libérée en utilisant la formule de l'énergie de masse E=mc2E = mc^2 et les masses des particules.
  3. Utiliser la loi de décroissance radioactive N=N0eλtN = N_0 e^{-\lambda t} pour calculer l'âge de la nappe phréatique.
Exercice 6·Moyen

Exercice 1 (3,5 points) : Transformations nucléaires Les isotopes d'un radioélément diffèrent par le nombre de nucléons, leurs propriétés et leur stabilité. Ils jouent un rôle important dans la vie courante que ce soit en datation, en médecine ou en industrie. L'or 79198Au^{198}_{79}\text{Au} est un radioisotope de l'or, il se désintègre en mercure 80198Hg^{198}_{80}\text{Hg} par émission β\beta^-. Cette radioactivité est notamment utilisée dans le traitement contre certains cancers ou pour traiter d'autres maladies. Pour évaluer l'efficacité thérapeutique de l'or 198, une équipe de recherche a porté son attention sur un groupe de souris souffrantes d'un cancer de la prostate sévère en leurs injectant une dose d'or 79198Au^{198}_{79}\text{Au} . Données :

Noyau ou particule79198Au^{198}_{79}\text{Au}80198Hg^{198}_{80}\text{Hg}ProtonNeutronÉlectron
Masse en (u)197,968225197,9667691,0072761,0086655,49.104^{-4}
Énergie de liaison par nucléon : ElA(80198Hg)=8,4 MeV / nucleˊon\frac{E_l}{A}(^{198}_{80}\text{Hg}) = 8,4\text{ MeV / nucléon}
1u=931,5 MeV.c21\text{u}=931,5\text{ MeV.c}^{-2} ;
t1/2(79198Au)=2,7 jourst_{1/2}(^{198}_{79}\text{Au}) = 2,7\text{ jours}
0,5 1. Définir un noyau radioactif.
0,5 2. Donner la composition du noyau 79198Au^{198}_{79}\text{Au}.
0,5 3. Écrire l'équation de désintégration de l'or 79198Au^{198}_{79}\text{Au} en précisant les valeurs de A et Z.
0,5 4. Vérifier que la valeur de l'énergie de liaison ElA(79198Au)\frac{E_l}{A}(^{198}_{79}\text{Au}) est égale à 1525,53MeV .
0,5 5. Justifier que le noyau 80198Hg^{198}_{80}\text{Hg} est plus stable que la noyau 79198Au^{198}_{79}\text{Au}.
Voir la correction
  1. Un noyau radioactif est un noyau instable qui se désintègre spontanément en émettant des particules et/ou des rayonnements.
  2. Le noyau 79198Au^{198}_{79}\text{Au} est composé de 79 protons et 19879=119198 - 79 = 119 neutrons.
  3. L'équation de désintégration est: 79198Au80198Hg+10e^{198}_{79}\text{Au} \rightarrow ^{198}_{80}\text{Hg} + ^0_{-1}\text{e}. Ici, A=198A=198 et Z=80Z=80.
  4. L'énergie de liaison du noyau 79198Au^{198}_{79}\text{Au} est El(79198Au)=(79mp+119mnm(79198Au))c2E_l(^{198}_{79}\text{Au}) = (79m_p + 119m_n - m(^{198}_{79}\text{Au}))c^2. En utilisant les masses données et la conversion 1u=931,5 MeV.c21\text{u} = 931,5\text{ MeV.c}^{-2}, on trouve El(79198Au)=1525,53 MeVE_l(^{198}_{79}\text{Au}) = 1525,53\text{ MeV}.
  5. Pour justifier la stabilité, on compare les énergies de liaison par nucléon. ElA(79198Au)=1525,531987,70 MeV/nucleˊon\frac{E_l}{A}(^{198}_{79}\text{Au}) = \frac{1525,53}{198} \approx 7,70\text{ MeV/nucléon}. Puisque ElA(80198Hg)=8,4 MeV/nucleˊon\frac{E_l}{A}(^{198}_{80}\text{Hg}) = 8,4\text{ MeV/nucléon} est supérieure à ElA(79198Au)\frac{E_l}{A}(^{198}_{79}\text{Au}), le noyau 80198Hg^{198}_{80}\text{Hg} est plus stable que le noyau 79198Au^{198}_{79}\text{Au}.
  1. Définition d'un noyau radioactif.
  2. Calculer le nombre de protons (Z) et de neutrons (A-Z).
  3. Écrire l'équation de désintégration en appliquant les lois de conservation de A et Z.
  4. Calculer le défaut de masse, puis l'énergie de liaison en utilisant la formule El=Δmc2E_l = \Delta m \cdot c^2.
  5. Comparer les énergies de liaison par nucléon des deux noyaux; le noyau avec la plus grande énergie de liaison par nucléon est le plus stable.

8 autres exercices sur ce chapitre.

Avec correction pas à pas, et un entraînement qui s'adapte à ce que tu rates.

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