La radioactivité :

Compétences exigées :

Ø  Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle ainsi que sur les applications des réactions nucléaires (on ne demande pas d'avoir des connaissances précises sur ces sujets : il faut savoir récupérer et utiliser correctement des informations (relatives à ces sujets) contenues dans un texte, un tableau, un graphique etc...).

Ø  Identifier les réactions de fission et de fusion nucléaires

Ø  Connaître et utiliser la définition de l'activité radioactive.

Ø  Utiliser la représentation symbolique d'un noyau d'atome (2^nde).

Ø  Connaître les lois de conservation et savoir les appliquer pour écrire correctement l'équation d'une réaction nucléaire.

Ø  Déterminer le défaut de masse et l'énergie libérée correspondant à une réaction nucléaire.

Exercices d'entraînement :

Exercice n°1 : Radioactivité du carbone 14

La radioactivité naturelle fut découverte en 1896, de manière fortuite, par Henri Becquerel. Le signe le plus perceptible de la radioactivité est l'existence d'un rayonnement émis par les atomes de certains éléments et dont l'origine se situe au niveau de leur noyau qui est instable. On observe ainsi, par exemple, les rayonnements (on parle de radioactivité) β (bêta+ avec émission d'un positron ou bêta- avec émission d'un électron), qui s'accompagnent souvent d'émission gamma, radiation électromagnétique de même nature que la lumière, provenant du retour à l'état fondamental d'un noyau fils suite à la transmutation d'un noyau père radioactif.

Un noyau de carbone 14 se désintègre par exemple spontanément en un noyau d'azote 14.

2) Ecrivez l'équation de la désintégration du carbone 14 en azote 14. S'agit-il d'un type de radioactivité cité dans l'énoncé ? Justifiez.

Plusieurs articles scientifiques parus en 2004 relatent les informations apportées par la découverte d'Ötzi, un homme naturellement momifié par la glace et découvert, par des randonneurs, en septembre 1991 dans les Alpes italiennes. Pour dater le corps momifié, on a utilisé le phénomène de désintégration du carbone 14. On a alors mesuré l'activité d'un échantillon de la momie.

3) Donnez la définition du mot "activité" apparaissant dans ce texte.

1,0 g de carbone pur extrait d'un être vivant présente une activité due au carbone 14, constante et voisine de 13,6 désintégrations par minute, ce qui correspond à « un âge zéro ». Dans un animal ou un végétal mort (tronc d'arbre, coquille fossile, os... trouvé dans une caverne), le carbone 14 « assimilé » par l'animal ou la plante quand il était vivant, décroît alors en fonction du temps du fait de sa radioactivité à partir de l'instant de sa mort. Il faut ainsi environ 5370 ans pour que la moitié de l'activité du carbone 14 soit perdue. La comparaison de l'activité résiduelle aux 13,6 désintégrations par minute fournit directement l'âge de l'échantillon fossile. Pour Ötzi, on a par exemple trouvé 7,16 désintégrations par minute pour une masse équivalente à 1,0 g de carbone pur (en 2004).

4) Donnez la valeur de l'activité d'Ötzi (mesurée en 2004) en Bq.

5) En 2004, est-ce qu'Ötzi était mort il y a : plus ou moins de 5370 ans ? Justifiez.

Données : Z(C) = 6 ; Z(N) = 7

correction de l'exercice n°1

Exercice n°2 : Le Laser MégaJoule

Le Laser MégaJoule (LMJ), qui sera l’un des deux plus gros lasers au monde, est en construction sur le site du CESTA, près de Bordeaux. Lorsqu’il sera opérationnel en 2016 (?), ce gigantesque dispositif comportera 240 faisceaux laser. La chambre d’expérience (voir photo ci-contre), percée d’ouvertures pour laisser passer les faisceaux laser, aura un diamètre de 10 m. À l’intérieur, une micro-bille de 2,4 mm de diamètre, remplie d’un mélange de 0,40 mg de deutérium et d'une masse m de tritium solidifié sera fixée dans une cavité en or par des fils de soie d’araignée. Les faisceaux laser de longueur d'onde égale à 351 nm convergent dans la cavité en apportant une énergie de 1,8 MJ ; énergie qui  est absorbée par les parois qui jouent le rôle d'un four. Dans la micro-bille, la température et la pression augmentent. Grâce à l'intense agitation thermique au centre de la micro-bille, les noyaux de même charge électrique de deutérium et de tritium, qui naturellement se repoussent, viennent en contact et se combinent dans un temps très court pour former un noyau d'hélium 4 en libérant un neutron. En se produisant simultanément un grand nombre de fois, cette réaction libère un fort dégagement d'énergie.

1) Il y a une réaction nucléaire qui se produit à l'intérieur de la micro-bille. De quel type de réaction nucléaire s'agit-il ? Justifiez à l'aide de l'énoncé.

2) Sachant que le deutérium et le tritium sont des isotopes de l'hydrogène possédant respectivement 2 et 3 nucléons, complétez la 2^ème ligne du tableau ci-dessous.

3) a) Donnez les lois de conservation permettant d'écrire correctement une équation de réaction nucléaire.

    b) Ecrivez l'équation de la réaction nucléaire ayant lieu dans la micro-bille.

4) Calculez la perte de masse associée à la réaction nucléaire puis l'énergie libérée lorsqu'un noyau de deutérium et un noyau de tritium se combinent.

5) a) Quelle masse de deutérium utilise-t-on au cours de l'expérience ? A combien de noyaux de deutérium cela correspond-il ?

    b) Déduisez-en la masse m de tritium nécessaire pour que le deutérium soit totalement consommée au cours de l'expérience et l'énergie totale libérée par le contenu de la micro-bille.

    c) Comparez l'énergie totale produite au cours de l'expérience à l'énergie délivrée par le Laser MégaJoule. Concluez.

Données : Z(H) = 1 ; Z(He) = 2 ; la célérité de la lumière dans le vide vaut c = 2,998×10⁸ m.s^–1

correction de l'exercice n°2