Travaux Personnels
Encadrés
Datation au
Carbone 14
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II- La radioactivité
La radioactivité est un phénomène qui se produit dans le noyau des atomes. Les atomes radioactifs sont instables. Ils ont soit un excès de protons, soit un excès de neutrons, soit un excès de nucléons.
Quand les atomes sont instables, ils se transforment spontanément en d'autres atomes, c'est la désintégration. Lors de cette désintégration, les atomes émettent des rayonnements alpha (α), bêta (β) ou gamma (γ). (Annexe 1)
Cette transformation est spontanée (il est impossible de provoquer une désintégration), aléatoire (il est impossible de prévoir quand ce noyau va se désintégrer) et inéluctable (tout noyau radioactif subira un jour une désintégration, le temps dépend de sa période).
La période ou temps de demie-vie est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs se désintègre. Ce temps varie selon les atomes, de moins d'une seconde à plusieurs centaines de milliers d'années. Le temps de demie-vie du carbone 14 est de 5730 ans.
Les Lois de Soddy
Toutes les réactions nucléaires obéissent aux lois de conservation appelées lois de Soddy. Selon les lois de Soddy, lors d'une désintégration nucléaire, il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de nucléons A.
La désintégration d'un noyau X (appelé noyau père) conduit à un noyau Y (appelé noyau fils) et à l'expulsion d'une particule P (particule α ou β). L'équation s'écrit :
Les lois de conservation de Soddy s'écrivent:
-
Loi de conservation du nombre de masses A :
-
Loi de conservation du nombre de charges Z :
Les rayonnements
-
La radioactivité alpha (α)
La radioactivité α concerne uniquement les noyaux lourds, c'est à dire les noyaux dont le nombre de nucléon est supérieur à 200.
Des noyaux sont dits radioactifs α s'ils émettent des noyaux d'hélium (comme particule). Ces noyaux étant trop lourds, le seul moyen pour eux de s'alléger est d'éjecter un atome d'hélium.
D'après les lois de conservation de Soddy, l'équation s'écrit :
L'exemple du polonium :
Le polonium émet noyau d'hélium lors de sa désintégration
-
La radioactivité bêta + (ß+)
Des noyaux sont dits radioactifs β + s'ils émettent des positons . Cette radioactivité est due à un excès de protons. Le positon est l'anti-particule de l'électron. Il a donc une charge positive qui est la charge élémentaire. La charge élémentaire est la quantité d'électricité contenue dans un proton. Elle se note e et prend la valeur e=1,6 x 10−19 Coulomb.
D'après les lois de conservation de Soddy, l'équation s'écrit :
L'exemple du phosphore :
Le phosphore émet un positon lors de sa désintégration
-
La radioactivité bêta - (ß-)
Des noyaux sont dits radioactifs β - s'ils émettent des électrons . Cette réaction est due à un excès de neutrons.
D'après les lois de conservation de Soddy, l'équation s'écrit :
Il n'y a pas d'électron dans le noyau, mais le noyau peut en fabriquer un et l'éjecter en transformant un neutron excédentaire en un électron et un proton suivant le bilan :
La désintégration du Carbone 14
Sur ce diagramme, on peut lire le nombre de protons en fonction du nombre de neutrons. Les atomes stables sont représentés en noir. Grâce à ce graphique, on distingue mieux les différentes radioactivités. En effet, les isotopes qui ont plus de neutrons que l'atome stable émettent une particule ß- (représentés en bleu) alors que les noyaux possédant moins de neutrons que l'atome stable émettent une particule ß+ (représentés en orange).
Nombre de protons en fonction du nombre de neutrons avec la nature des rayonnements
De plus près, on peut voir que le noyau de carbone 14, contenant 6 protons et 8 neutrons, émet des rayonnements bêta -.
Nombre de protons en fonction du nombre de neutrons avec la nature des rayonnements
La désintégration du carbone se fait selon l'équation :
L'atome de carbone éjecte un électron. Il n'y a pas d'électron dans le noyau, il est créé par réaction chimique. Le carbone 14 est donc devenu un atome d'azote 14.
Décroissance radioactive du carbone 14
La décroissance radioactive correspond au nombre de noyaux de carbone 14 désintégrés. On appelle cela décroissance car lors de la désintégration, les atomes se stabilisent ; le nombre d'atomes radioactifs diminue mais sans jamais disparaître totalement. Cette décroissance peut être traduite par une fonction exponentielle.
Une fonction exponentielle traduit le fait que la vitesse de décroissance du nombre de noyau radioactifs initiale est proportionnelle au nombre de noyau radioactifs présent à l'instant t. Plus le nombre de noyau radioactifs initiale est grand, plus la vitesse décroît vite.
Cette fonction exponentielle est définie par N(t)=N0e-λt
N0 est la proportion de noyaux radioactifs initiale. λ est la constante de proportionnalité, elle est égale à 1,2. t est le temps écoulé en années.
Lorsque la proportion d'atomes de carbone 14 restants par rapport au nombre d'atomes de départ est de 0,5, on considère que la moitié du carbone 14 s'est désintégré. Cela correspond pour le carbone 14, à 5730 ans. On remarque que la plupart des atomes de carbone s'est désintégrée au bout de 30 000 ans.
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