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Physique · Agronomie, vétérinaire & architecture — ENA Meknès (agriculture)

Décroissance radioactive

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

  • Définition : La radioactivité est une transformation nucléaire spontanée d'un noyau instable (père) en un noyau plus stable (fils) avec émission d'une particule ($\alpha, \beta^-, \beta^+$) et souvent d'un rayonnement $\gamma$.
  • Lois de conservation (Soddy) : Au cours d'une désintégration, il y a conservation du nombre de charge $Z$ et du nombre de masse $A$.
  • Loi de décroissance : Le nombre de noyaux radioactifs restants à l'instant $t$ est : $N(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}$.
  • Activité : $a(t) = \lambda \cdot N(t) = a_0 \cdot e^{-\lambda t}$. Unité : Becquerel (Bq).
  • Demi-vie ($t_{1/2}$) : Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initialement présents s'est désintégrée : $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$.

Méthodes à maîtriser

  • Équilibrer une équation nucléaire en appliquant Soddy.
  • Tracer ou exploiter la courbe $N(t)$ ou $\ln(N(t))$.
  • Calculer $\lambda$ à partir de $t_{1/2}$ et inversement.
  • Déterminer l'âge d'un échantillon : $t = \frac{1}{\lambda} \ln\left(\frac{N_0}{N(t)}\right)$.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Désintégration $\beta^-$ du carbone 14 : $^{14}_6C \rightarrow ^{14}7N + ^0{-1}e$.
  • Exemple 2 : Calculer $N(t)$ pour $t = 2t_{1/2}$ : $N(2t_{1/2}) = N_0 \cdot e^{-\lambda \cdot \frac{2\ln 2}{\lambda}} = N_0 \cdot e^{-2\ln 2} = N_0 \cdot e^{\ln(1/4)} = \frac{N_0}{4}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier l'unité de $\lambda$ (s⁻¹) qui doit être l'inverse de l'unité de $t$.
  • Confondre $N(t)$ (nombre de noyaux restants) et $N_d(t)$ (nombre de noyaux formés/désintégrés).
  • Se tromper dans le calcul de l'exponentielle sur la calculatrice.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Décroissance radioactive

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La constante radioactive λ\lambda s'exprime en :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le noyau fils est toujours radioactif ?

Pas forcément. Il peut être stable ou radioactif (famille radioactive). Cela dépend de la nature du noyau.

💡 À retenir : La désintégration s'arrête quand le noyau devient stable.

Quelle est l'unité de l'activité a(t) ?

L'unité est le Becquerel (Bq), qui correspond à une désintégration par seconde (s⁻¹).

💡 À retenir : 1 Bq = 1 désintégration/seconde.

Est-ce que lambda change avec le temps ?

Non, $\lambda$ est une constante caractéristique du noyau radioactif. Elle est indépendante du temps.

💡 À retenir : $\lambda$ est propre à chaque isotope.

Comment savoir si une particule est alpha ou beta ?
  1. $\alpha$ est un noyau d'hélium $^4_2He$.
  2. $\beta^-$ est un électron $^0_{-1}e$.
  3. $\beta^+$ est un positron $^0_{+1}e$.

💡 À retenir : Regardez les valeurs de $A$ et $Z$ dans l'équation.

Est-ce que le nombre de noyaux N(t) peut devenir nul ?

Mathématiquement, $N(t)$ tend vers zéro quand $t$ tend vers l'infini, mais il ne s'annule jamais strictement.

💡 À retenir : Théoriquement, il reste toujours une infime fraction.

C'est quoi la différence entre N(t) et a(t) ?
  1. $N(t)$ est le nombre de noyaux radioactifs présents dans l'échantillon à l'instant $t$.
  2. $a(t)$ est l'activité, c'est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde.
  3. Elles sont liées par $a(t) = \lambda \cdot N(t)$.

💡 À retenir : $a(t)$ est la dérivée temporelle (au signe près) de $N(t)$.

Chno hiya l'farq bin beta^- et beta^+ ?
  1. $\beta^-$ est l'émission d'un électron ($^0_{-1}e$) : un neutron se transforme en proton.
  2. $\beta^+$ est l'émission d'un positron ($^0_{+1}e$) : un proton se transforme en neutron.

💡 À retenir : $\beta^-$ augmente $Z$ de 1, $\beta^+$ diminue $Z$ de 1.

Est-ce que la masse totale se conserve lors d'une désintégration ?

Non, la masse des produits est toujours inférieure à la masse des réactifs. Ce défaut de masse est converti en énergie selon $E = \Delta m \cdot c^2$.

💡 À retenir : La masse ne se conserve pas, mais le nombre de nucléons si.

Kifach n7seb l'age d'un échantillon ?
  1. Utilisez la loi $N(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}$.
  2. Divisez par $N_0$ : $\frac{N(t)}{N_0} = e^{-\lambda t}$.
  3. Appliquez le logarithme : $\ln(\frac{N(t)}{N_0}) = -\lambda t$.
  4. $t = -\frac{1}{\lambda} \ln(\frac{N(t)}{N_0})$.

💡 À retenir : $t = \frac{1}{\lambda} \ln(\frac{N_0}{N(t)})$.

Pourquoi on utilise ln(2) dans la formule de t{1/2} ?

Parce que par définition, à $t = t_{1/2}$, $N(t) = N_0/2$. Donc $N_0/2 = N_0 \cdot e^{-\lambda t_{1/2}}$, ce qui donne $1/2 = e^{-\lambda t_{1/2}}$. En prenant le ln, on obtient $-\ln(2) = -\lambda t_{1/2}$.

💡 À retenir : C'est une conséquence mathématique de la décroissance exponentielle.

Est-ce que la radioactivité dépend de la température ou de la pression ?

Non, la radioactivité est un phénomène purement nucléaire et aléatoire. Elle ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni de l'état chimique de l'élément.

💡 À retenir : La radioactivité est indépendante des facteurs externes.

Kifach n7seb lambda ila 3tani t{1/2} f l'exercice ?
  1. Utilisez la relation $t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}$.
  2. Isolez $\lambda$ : $\lambda = \frac{\ln(2)}{t_{1/2}}$.
  3. Attention : si $t_{1/2}$ est en années ou jours, convertissez-le en secondes pour avoir $\lambda$ en $s^{-1}$.

💡 À retenir : $\lambda$ est toujours en $s^{-1}$ si le temps est en secondes.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

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

  1. Écrire l'équation de désintégration sachant que le noyau fils est le Plomb ($Pb$).
  2. La demi-vie du Polonium 210 est $t_{1/2} = 138$ jours. Calculer la constante radioactive $\lambda$ en $s^{-1}$.
  3. Un échantillon contient $N_0 = 10^{15}$ noyaux à $t=0$. Calculer le nombre de noyaux restants à $t = 276$ jours.
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