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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Électriques

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

  • Le noyau : Noté ${}_Z^A X$, il contient $Z$ protons et $N = A - Z$ neutrons (nucléons).
  • Isotopes : Noyaux ayant le même $Z$ mais des nombres de masse $A$ différents.
  • Radioactivité : Transformation nucléaire spontanée d'un noyau instable (père) en un noyau plus stable (fils) avec émission d'une particule ($\alpha, \beta^-, \beta^+, \gamma$).
  • Lois de conservation (Soddy) : Lors d'une transformation nucléaire, il y a conservation du nombre de charge $Z$ et du nombre de masse $A$.
  • Loi de décroissance radioactive : $N(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}$.
  • Demi-vie ($t_{1/2}$) : Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs initialement présents s'est désintégrée : $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$.

Méthodes à maîtriser

  • Équilibrer une équation de désintégration en appliquant les lois de Soddy.
  • Tracer ou exploiter la courbe $N(t)$ ou $A(t)$ pour déterminer $t_{1/2}$.
  • Calculer l'activité $a(t) = \lambda \cdot N(t)$ en Becquerels (Bq).

Exemples corrigés

  • Désintégration $\beta^-$ : ${}{27}^{60} Co \rightarrow {}{28}^{60} Ni + {}_{-1}^{0} e$. Conservation : $60=60+0$ et $27=28-1$.
  • Calcul de $t_{1/2}$ : Si $\lambda = 0,1 , \text{an}^{-1}$, alors $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{0,1} \approx 6,93$ ans.

Erreurs fréquentes

  • Confondre le nombre de masse $A$ et le numéro atomique $Z$.
  • Oublier le signe « moins » dans l'exposant de la loi de décroissance.
  • Ne pas convertir le temps dans la même unité que la constante radioactive $\lambda$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Les transformations nucléaires

1/4

Quelle particule est émise lors d'une désintégration $\beta^-$ ?

❓ Questions fréquentes

9. Wach l'equation de désintégration khasha tkon dima mtwazna ?
  1. Oui, toujours. La somme des $A$ à gauche doit être égale à la somme des $A$ à droite, et pareil pour les $Z$.

💡 À retenir : Application stricte des lois de Soddy.

10. Pourquoi on utilise le carbone 14 pour dater les objets ?
  1. Parce que sa demi-vie est connue et constante. En mesurant la quantité de carbone 14 restante dans un échantillon organique, on peut calculer son âge.

💡 À retenir : La décroissance radioactive est une « horloge » naturelle.

11. Est-ce que la masse se conserve dans une réaction nucléaire ?
  1. Non, la somme des masses des produits est inférieure à la somme des masses des réactifs. Ce défaut de masse est converti en énergie.

💡 À retenir : Il y a une perte de masse (à vérifier par le professeur : notion liée au chapitre suivant).

1. C'est quoi la différence entre un proton et un électron dans le noyau ?
  1. Le noyau ne contient que des protons et des neutrons. L'électron n'existe pas dans le noyau, il est émis lors de la désintégration $\beta^-$ suite à la transformation d'un neutron en proton.

💡 À retenir : Le noyau est composé uniquement de nucléons (protons et neutrons).

2. Kifach n7seb t{1/2} ila 3touni l'courbe dyal N(t) ?
    1. Regarde la valeur initiale $N_0$ sur l'axe des ordonnées à $t=0$.
  1. Divise cette valeur par 2 pour obtenir $N_0/2$.
  2. Cherche cette valeur sur l'axe des ordonnées, projette sur la courbe, puis descends sur l'axe des abscisses pour lire $t_{1/2}$.

💡 À retenir : $t_{1/2}$ est l'abscisse correspondant à l'ordonnée $N_0/2$.

3. Pourquoi on dit que la radioactivité est aléatoire ?
  1. On ne peut pas prédire quel noyau va se désintégrer à un instant précis. On ne peut connaître que la probabilité statistique de désintégration pour un grand nombre de noyaux.

💡 À retenir : La désintégration est un phénomène purement probabiliste.

4. Wach l'activité a(t) katn9es bhal N(t) ?
  1. Oui, car $a(t) = \lambda \cdot N(t)$. Comme $\lambda$ est une constante, l'activité suit la même loi de décroissance exponentielle que le nombre de noyaux.

💡 À retenir : $a(t) = a_0 \cdot e^{-\lambda t}$.

5. Chno hiya l'unite dyal lambda ?
  1. L'unité de $\lambda$ est l'inverse d'un temps ($s^{-1}$, $an^{-1}$, $jour^{-1}$). Elle doit toujours être l'inverse de l'unité utilisée pour le temps $t$.

💡 À retenir : L'unité de $\lambda$ est $T^{-1}$.

6. Kifach n3ref wach l'emission hiya alpha wla beta ?
    1. $\alpha$ : émission d'un noyau d'hélium ${}_2^4 He$ (souvent noyaux lourds).
  1. $\beta^-$ : émission d'un électron ${}_{-1}^0 e$ (excès de neutrons).
  2. $\beta^+$ : émission d'un positon ${}_{+1}^0 e$ (excès de protons).

💡 À retenir : Regarde la particule émise dans l'équation.

7. Est-ce que la constante radioactive dépend de la température ?
  1. Non, la radioactivité est un phénomène nucléaire indépendant des conditions extérieures (température, pression, état chimique).

💡 À retenir : La radioactivité est un processus spontané et indépendant du milieu.

8. C'est quoi la différence entre N(t) et a(t) ?
  1. $N(t)$ est le nombre de noyaux radioactifs restants à l'instant $t$. $a(t)$ est l'activité, c'est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde (en Becquerels).

💡 À retenir : $a(t) = |dN/dt| = \lambda \cdot N(t)$.

12. Wach t{1/2} katbdel ila zedna ktar dyal l'echantillon ?
  1. Non, la demi-vie est une caractéristique propre à chaque noyau radioactif. Elle ne dépend pas de la quantité initiale de matière.

💡 À retenir : $t_{1/2}$ est une constante propre au radioélément.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Le noyau de Polonium ${}_{84}^{210} Po$ est radioactif $\alpha$.

  1. Écrire l'équation de désintégration sachant qu'il se transforme en Plomb (Pb).
  2. La demi-vie du Polonium est $t_{1/2} = 138$ jours. Calculer la constante radioactive $\lambda$ en $j^{-1}$.
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Exercice 2

Un échantillon contient initialement $N_0 = 10^{20}$ noyaux radioactifs. Sa constante radioactive est $\lambda = 0,05 , an^{-1}$.

  1. Calculer le nombre de noyaux restants après 20 ans.
  2. Calculer l'activité initiale $a_0$ en Bq (sachant que 1 an $\approx 3,15 \times 10^7$ s).
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Exercice 3

La datation au carbone 14. Un échantillon de bois ancien contient 25% de la quantité de carbone 14 présente dans un bois vivant. On donne $t_{1/2} = 5730$ ans. Déterminer l'âge de l'échantillon.

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