TP - Radioactivité PDF

Preview

Summary

Download TP - Radioactivité PDF

Description

Activité : « La radioactivité » Objectifs :  Interpréter la stabilité des noyaux  Comprendre la différence entre la radioactivité naturelle et artificielle  Définir l’activité I Les noyaux

APP-ANA

1° Représentation symbolique Nous utilisons pour tous les noyaux la même représentation symbolique :

A Z

X

Exemple : Etude d’un noyau d’uranium 238 L'uranium 238, noté

238 92

U , est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal à 238 : son noyau

atomique compte 92 protons et 146 neutrons pour une masse atomique de 238,05g.mol-1. Il est caractérisé par une énergie de liaison nucléaire de 1754,67 MeV. Son abondance naturelle est de 99,2742 %, le reste de l'uranium naturel (0,7258 %) étant constitué d'uranium 235 (0,7202 %) et d'uranium 234 (0,0055 %). Un gramme d'uranium 238 présente une radioactivité de 12 434 Bq. Un kilogramme d'isotope 238U pur est le siège de 6,71 fissions spontanées par seconde. Il est faiblement radioactif, et se désintègre en thorium 234 par radioactivité α avec une période radioactive de 4,47 milliards d'années, soit 1,41×1017 secondes, et une énergie de désintégration de 4,270MeV. D’après https://fr.wikipedia.org/wiki/Uranium_238 Q1- Que représente A, Z et X dans la représentation symbolique ? Q2- Donner la représentation symbolique d’un noyau d’uranium 235. L’uranium 235 est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal à 235 : son noyau atomique compte 92 protons et 143 neutrons pour une masse atomique de 235,04 g.mol-1. D’après https://fr.wikipedia.org/wiki/Uranium_235

Cliquez sur le lien suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/masses_noyaux.swf Q3- Donner la composition de 5 noyaux radioactifs différents appartenant à 5 éléments chimiques différents. Exemple : je clique sur Ca et je choisis le noyau

41 20

Ca . Il est composé de 20 protons et 21 neutrons.

2° Isotopie Cliquez sur le lien suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/masses_noyaux.swf Q4- A l’aide de cette animation, essayez de formuler la définition d’un isotope (ils apparaissent pour chaque noyau dans la colonne de droite). Donner plusieurs exemples pour illustrer vos propos. 3° Stabilité des noyaux Certains noyaux sont stables et peuvent exister indéfiniment. D’autres sont radioactifs et vont se désintégrer au bout d’un certain temps. Essayons de comprendre quels noyaux sont stables et lesquels sont radioactifs.

Cliquez sur le lien suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/masses_noyaux.swf Etudier les noyaux légers dont le numéro atomique est inférieur à 20. Q5- Les noyaux stables ont-ils un numéro atomique supérieur, inférieur ou égal au nombre de neutrons ? Donner des exemples. Etudier les noyaux lourds dont le numéro atomique est supérieur à 50. Q6- Les noyaux stables ont-ils un numéro atomique supérieur, inférieur ou égal au nombre de neutrons ? Donner des exemples. Q7- Quelle force est responsable selon vous de la cohésion dans le noyau ? Q8- Recopier et compléter. La cohésion du noyau est assurée par l’......................................... qui s’oppose à …........................................ Quand cette cohésion n’est plus assurée, les noyaux deviennent …........... II Histoire de la radioactivité

APP-ANA

1° Découverte de la radioactivité

La main d’Alfred Von Kolliker prise le 23 janvier 1896 ( à gauche) et le portrait de Wilhelm Röntgen (à droite) Photo : Suddeutsche Zeitung/Rue des Archives

Fin 1895, Wilhelm Conrad Röntgen, physicien allemand, découvre quasiment par hasard les rayons X. Une découverte qui va révolutionner la compréhension du monde dans lequel nous vivons. Elle sera couronnée par le premier prix Nobel de physique décerné en 1901. Le 28 décembre 1895, le physicien allemand Wilhelm Conrad Röntgen publie dans le bulletin de la Société physico-chimique de Würzburg un article intitulé « Über eine neue Art von Strahlen » (À propos d’une nouvelle sorte de rayons). L’article présente une image du squelette d’une main vivante effectuée grâce à ce rayonnement. La découverte des rayons X et l’invention de la radiologie en un seul article ! La découverte des rayons X par Röntgen est un peu le fruit du hasard. Directeur de l’Institut de physique de Würzburg, il cherche à élucider la nature de l’électricité et étudie la lumière fluorescente émise lors du

passage d’un courant électrique dans une ampoule contenant un gaz à basse pression (tube de Crookes). Dans une expérience réalisée en chambre noire, Röntgen observe un phénomène de fluorescence de la plaque photographique à distance du tube de Crookes alors même que celui-ci est recouvert de carton noir. Il observe aussi que ce phénomène persiste s’il interpose des objets entre le tube et la plaque : quand une main vivante est interposée, son squelette devient visible. Röntgen en déduit qu’un rayonnement invisible d’origine inconnue est émis et lui donne le nom de rayons X (dénomination d’une inconnue en mathématiques). Un hasard en appelle un autre. Le 2 mars 1896, le physicien français Henri Becquerel communique à l’Académie des sciences la découverte de la radioactivité, émission naturelle par l’uranium d’un rayonnement tout aussi invisible et pourtant différent des rayons X. En fait, les deux découvertes sont liées : apprenant la découverte des rayons X, Becquerel a l’idée de comparer la fluorescence observée sur plaque photographique des sels d’uranium après leur exposition au soleil et celle des rayons X. Un jour sans soleil, il abandonne ses échantillons dans un tiroir et découvre le lendemain que le phénomène qu’il étudie persiste. Il en conclut que l’uranium émet spontanément des rayons pénétrants invisibles. En un peu plus de deux mois, deux types de rayonnements nouveaux ont été découverts alors qu’en cette fin du XIXe siècle personne n’a l’idée que de tels rayonnements invisibles puissent exister. Et personne ne sait encore en quoi ils consistent ni à quels mécanismes ils sont dus. Q9- En quoi, le fait que les plaques aient été laissées à l'obscurité, constitue une expérience témoin ? Q10- Citer le nom d'autres savants ayant participé à la compréhension de la radioactivité ? La phosphorescence est le phénomène observé lorsqu'une matière continue à émettre de la lumière après avoir été éclairée. Une molécule phosphorescente possède la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (lumière d'excitation) et de la restituer lentement sous forme de lumière phosphorescente (lumière d'émission). Une fois l'énergie du photon absorbée, la molécule se trouve alors généralement dans un état électroniquement excité. D’après https://fr.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence Q11- Comment expliquer que la matière phosphorescente puisse émettre longtemps après ? Regarder le film : http://portail.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/physiquechimie/decouverte-radioactivite.aspx (vidéo sur la découverte) 2° Différence entre radioactivité naturelle et artificielle Cliquez sur l’animation suivante : http://portail.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/radioactivite.aspx Q12- Citer au moins 5 produits radioactifs du quotidien en précisant à chaque fois leur activité. Q13- La radioactivité naturelle est-elle dangereuse pour l’Homme ? Voici un extrait de votre livre p.157.

Q14- Comment font Irène et Frédéric Joliot pour produire de la radioactivité artificielle ? Q15- Citer d’autres moyens pour produire de la radioactivité sur Terre ou dans l’univers.

3° Applications Après leur découverte, les rayons X ont fait l’objet de nombreuses applications futiles, toutes interdites aujourd’hui.

Les rayons X vont être utilisés pendant 16 ans sans qu'on en connaisse la nature ! Dans de nombreux pays, de 1896 à 1912, des milliers de personnes vont utiliser les rayons X en ignorant tout d'eux. Et pas seulement les médecins. Comme aucune réglementation n'existe à cette époque, des photographes, des patrons de grands magasins, des forains, des magiciens s'équipent (aisément) du matériel nécessaire. Il suffit de disposer d'un générateur de haute tension qui envoie le courant dans un tube à vide. Côté réglementation, il faudra attendre 1928 (soit 32 ans) pour que d'éminents radiologues européens réunis à Stockholm décident de créer une "Commission Internationale de Protection contre les Rayons X et le Radium". Q16- Quel est le danger des rayons X ? " Certaines montres fabriquées dans la première moitié du XXe siècle utilisaient des traces de radium pour exciter en permanence la peinture phosphorescente de leurs aiguilles. Lors de leur fabrication, les ouvriers

utilisaient un pinceau parfois mis en bouche pour pouvoir réaliser le tracé avec beaucoup plus de finesse. " Q17- Pourquoi l'application suivante de la phosphorescence a-t-elle été abandonnée ? Q18- Citer actuellement des applications de la radioactivité naturelle ou artificielle dans différents domaines.

III Les réactions nucléaires

APP-ANA

1° Différents types de radioactivité Cliquez sur le lien suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/diagrammeNZ_2.swf Déplacer le carré rouge de manière à voir apparaître la colonne avec les différents isotopes du carbone. Q19- Quels sont les noyaux stables ? Est-ce conforme à la règle de stabilité de la question Q5 ? Q20- Les noyaux ayant un nombre de protons supérieur au nombre de neutrons sont radioactifs. De quel type (décroissance) ? Q21- Trouver une hypothèse à la présence de la charge + ? Q22- Quel autre type de radioactivité concerne les noyaux de carbone ? Q23- Trouver le troisième grand type de radioactivité qui existe.

2° L’activité Ouvrir l’activité : http://portail.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/becquerel.aspx Q24- A l’aide de l’animation, expliquez ce que représente un becquerel. Q25- L’activité se note A. Par quelle formule peut-on la calculer ? Q26- Une radioactivité de 7000 Bq est-elle inquiétante ? 3° Lois de conservation Radioactivité  Elle caractérise les éléments lourds : A > 200. Ces éléments pour être stables doivent émettre des nucléons. Ils se désintégreront en émettant une particule  : 42He . Ces particules peuvent être arrêtées par de l’air ou une feuille de papier. Elles sont surtout dangereuses si elles sont en contact avec le corps humain. Exemple : 222 4 Désintégration du radon : 86Rn →… …+2 He Pour trouver l’élément fils, on calcule le numéro atomique : 86-2 = 84 puis on cherche dans le tableau des éléments le nom de l’élément : polonium Pour trouver le nombre de masse on calcule 222-4 = 218. D’où : 222 218 4 86Rn → 84 Po +2 He Q27- Désintégration du polonium :

210 84

Po →… …+42 He

Radioactivité Un noyau qui contient trop de neutrons est instable. Pour devenir stable, il doit perdre un neutron. Pour cela, un neutron du noyau père va se transformer en un proton. Le nombre total de nucléons ne changera pas. Cette désintégration sera accompagnée par l’émission d’un électron −10e . Les particules sont pénétrantes dans l’air. Pour les arrêter, il faut une feuille de papier d’aluminium. (Explication : 10n →11 p+−10e )

Q28- Désintégration du cobalt : Q29- Désintégration du tritium :

60 27 3 1

0 Co → ……+−1 e 0 H → ……+−1 e

Radioactivité + Elle concerne les noyaux qui contiennent trop de protons. Elle n’affecte que les noyaux artificiels. Ces noyaux vont donc émettre une charge positive sous forme d’un positron. Un positron a la même masse qu’un 0 électron mais une charge positive +1e . Les positrons sont neutralisés dès qu’ils rencontrent un électron. 0 Q30- Désintégration du phosphore : 30 15P → ……++ 1 e Q31- Désintégration de l’azote : 137 N → ……++ 01 e

Q32- Les lois de Soddy permettent d’équilibrer les réactions nucléaires. Compléter les phrases cidessous : On pourra symboliser les réactions nucléaires par des équations qui doivent respecter les lois de …………………………….. et de la …………………………. Ainsi, le nombre de proton Z et le nombre de nucléons A doit se ………………………… au cours de la réaction. Exemple : un noyau père X se désintègre en un noyau fils Y en émettant une particule Z: A X → AZ Y +AZ Z Z A1 = A2 +A3  loi de conservation de …………………… Z1 = Z2 +Z3  loi de conservation de …………………… 1

2

3

1

2

3

Remarque : ces équations ne symbolisent que ce qu’il se passe au niveau du noyau.

Q33- Remplacer les lettres A et Z par les nombres correspondant et préciser pour chaque équation, le type de rayonnement mis en jeu. A 107 0 a ¿ 46 Pd → Z Ag + −1 e 0 b) AZ Bi → 208 82 Pb +1 e A 218 c) 84Po → Z Pb+ 42 He

http://portail.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/quiz-radioactivite.aspx Q34- Quizz pour tester ses connaissances...