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La radioactivité

Qu'est-ce que la radioactivité ?
La radioactivité est un phénomène physique qui peut s'avérer très dangereux.
La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d'autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d'hélium ou encore des neutrons et en émettant de l'énergie sous la forme de photons et d'énergie cinétique. On appelle cela une désintégration. On appelle alors l'émission de particules, qu'elles soient matérielle ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l'énergie des particules est telle qu'elle est capable d'entraîner la ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l'on listera un peu plus tard. La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d'irradiation. Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l'exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l'exposition est interne que si l'exposition était externe ou encore en surface. Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industrie, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièce manufacturées, les soudures, l'usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu'il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.

La radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis

La radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4

Il est possible de considérer le Soleil comme un puissant générateur nucléaire car, en son sein, de nombreuses réactions atomiques se produisent

La radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable

L'histoire de la radioactivité

Qui a découvert la radioactivité ?
Le scientifique Becquerel est le premier a avoir découvert la radioactivité. Il a laissé son nom à une unité de mesure de la radioactivité.
Comme beaucoup d'autres découvertes scientifiques, le phénomène de radioactivité a été découvert complètement par hasard. Le premier à l’avoir mis en évidence, c’est Henri Becquerel. Celui-ci faisait des recherches sur les liens potentiels entre les rayons X et la fluorescence. Pour cela, il utilisait une préparation de sel phosphorescent d’uranium. Tout d’abord, il déposa ce sel sur des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir. Ensuite, il exposa cette préparation au soleil puis développa les plaques. Les photographies montrent l’image des cristaux de sel d’uranium. Henri Becquerel en déduit que cette image a été créée par les rayons X découverts quelques temps plus tôt par Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand. Le raisonnement de Becquerel est simple : il pense que l’énergie solaire est absorbée par l’uranium avant d’être réémise sous forme de rayons X. Pour confirmer ses hypothèses, il souhaita poursuivre ses expériences. Mais ces expériences impliquaient la présence du Soleil qui se montra timide plusieurs jours durant. Henri Becquerel a donc été contraint de repousser ses expérimentations et rangea ses plaques photographiques imprégnées de sel d’uranium dans un placard. Quelques jours plus tard, il les ressortit et décida de les développer bien qu’il ne s’attende pas à trouver grand chose. En conclusion, la radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel lors d'une étude concernant l'uranium et cette découverte sera confirmée plus tard par Marie Curie après une étude du radium.

Marie Skłodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux

Le vocabulaire de la radioactivité

Le vocabulaire associé pour comprendre la notion

Isomère nucléaire

Des isomères nucléaires sont des atomes qui partagent le même noyau mais dans états énergétiques différents. C’est à dire qu’ils comportent un spin et une énergie d’excitation spéciaux. Dans leur état d’énergie le plus bas, on dit qu’ils atteignent l’état fondamental.

Capture électronique

La capture électronique, aussi appelée désintégration ε, est un processus de physique radioactive lors duquel un noyau d’atome qui est en manque de neutrons absorbe un électron de la couche électronique de son atome

Produit de désintégration

On appelle produit de désintégration le nucléide descendant d’un désintégration radioactive d’un nucléide précédent

Fission spontanée

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré

Bombe H

Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple

Bombe A

Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce fut les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples.

Qu'est-ce qu'une bombe nucléaire ?
Voici à quoi ressemblait la bombe nucléaire Fat Man lors de son largage par les américains.

Fission et fusion nucléaire

Fission et fusion

La fission : les centrales nucléaires

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits

Plus précisément, la fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau père lourd se scinde en noyau plus léger sous l'impact d'un neutron. Les noyaux qui peuvent subir la réaction de fission sont des noyaux dits fissiles.

La réaction de fission libère deux ou trois autres neutrons qui vont pouvoir encore à leur tour casser d'autres noyaux, c'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne. Elles ne sont pas contrôlées dans les bombes atomiques : Bombe A.

Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce fut les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple

La fusion

Réaction nucléaire au cours de laquelle des noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. Le type de réaction qui a lieu sur les étoiles en général est une réaction qui n'est pas contrôlée. Pour amorcer cette réaction, il faut des températures très élevées (thermonucléaires).

La décroissance radioactive d'un radioisotope

Quelque soit le radioisotope, il a autant de chance qu'un autre radioisotope de la même espèce de se désintégrer à un instant t. Il faut néanmoins savoir que la désintégration ne dépend pas des condition physico-chimique dans lesquels le nucléide étudié se trouve. En effet, on parle de la loi de désintégration radioactive comme étant une loi statique. La loi s'énonce ainsi : Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque. Puisque la probabilité de désintégration d'un radionucléides quelconque ne dépend ni du milieu qui l'entour, ni de la présence d'autres espèces de radionucléide, le nombre total de désintégration, noté dN, pendant un intervalle de temps dt est proportionnel au nombre N de radionucléide de la même espèce présents mais aussi proportionnel à la durée dt de l'intervalle de réaction. On obtient alors la formule : [ text { d} N = - lambda times N times text{ d} t ] On peut observer le signe - puisque le nombre N de radionucléides diminue au cours du temps. Si on intègre l'expression obtenue précédemment, on trouve alors la loi de décroissance exponentielle du nombre N(t). Ainsi, si on note N0 le nombre de radionucléides présents à l'instant t = 0, on obtient l'expression suivante : [ N left( t right) = N _ { 0 } times e ^{ - lambda times t } ] Si on note t1/2 la demie vie de l'élément étudié, il est possible d'obtenir l'expression suivante : [ lambda = \frac { ln left( 2 right) } { t _ { \frac { 1 } { 2 } } } ]

L'activité d'une source radioactive

Comment se protéger d'une attaque nucléaire ?
Les conséquences d'une explosion nucléaire peuvent être dévastatrices.
La notion d'activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l'activité d'une source correspond à l'expression du nombre de désintégrations par secondes d'un atome composé d'un certain nombre de noyaux radioactifs. Cette grandeur s'exprime habituellement en becquerels de symbole Bq. On peut donc en déduire un taux de désintégration des noyaux atomiques. Cependant, l'utilisation de cette unité pose parfois des problèmes. En effet, le becquerel est une unité petite. Par exemple, un élément radioactif dont la durée de demie-vie est d'un million d'années,  une mole de cet élément aura une activité de 20 x 109 Bq.

Pour un échantillon de noyaux radioactifs, le temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents à un instant t se soit désintégrée.

Pour rappel, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l'Homme. Dans le cas où les radioisotopes sont dans un mélange, plus la demie-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.

Pierre et Marie Curie

La première chronique de l'année scolaire met à l'honneur une femme de Sciences française d'origine polonaise, née en 1867, connue et admirée par tous, Marie Curie. Célèbre pour son immense talent scientifique qui lui valut deux prix Nobel, elle a formé avec son mari  Pierre Curie, excellent physicien également un couple scientifique de renom.  

Excellente élève, passionnée par ses études, elle vient à Paris en 1892 pour les poursuivre en Sciences Physiques et Mathématiques sur les bancs de la Sorbonne. En trois ans elle obtient  brillamment les licences dans les deux matières. En 1895, elle épouse Pierre Curie et en 1896, elle est reçue première à l'agrégation de Physique.

C'est en 1897 qu'elle débute ses travaux sur les rayonnements émis par l'uranium, découvert par Becquerel rejointe dès 1898 par son mari. Dans des conditions très inconfortables, ils parviennent cependant à découvrir deux nouveaux éléments radioactifs, le polonium et le radium et recoivent pour leurs travaux sur la radioactivité le prix Nobel de Physique avec Becquerel.

En 1906, Pierre Curie décède brutalement, renversé par une voiture à cheval. Elle le remplace pour ses cours à la Sorbonne et devienr professeur titulaire en 1909. Elle est alors la première femme nommée à ce poste! En 1911, elle reçoit le prix Nobel de Chimie pour ses travaux sur les éléments chimiques radium et polonium.

Grâce à elle, ouvre en 1914 l'institut du radium chargé de la recherche contre le cancer et son traitement par radiothérapie. Pendant la seconde guerre mondiale, elle organise les services radiologiques aux armées et crée en particulier des voitures de radiologie, les "Petites Curies", qui s'approchent du front.

Elle meurt en 1934 d'une leucémie, due à une exposition trop importante aux rayons mais elle travaille jusqu'au bout.

Pierre et Marie Curie ont eu deux filles : Eve et Irène. C'est Irène qui poursuivra l'aventure scientifique de sa mère. Elle aussi formera avec son mari, Frédéric Joliot un couple de physiciens célèbre.

Voyage dans l'espace : attention à la radioactivité

Dans l'espace, les rayonnements nucléaires auxquels peuvent être soumis les astronautes ne proviennent pas de matériaux radioactifs qui auraient pu être embarqués dans les stations spatiales. En effet, ces rayonnements ont pour source le Soleil où de nombreuses fusions nucléaires à très grande échelle ont lieu. Ainsi, lors de ces fusions, des noyaux légers, tels que l'hydrogène, fusionnent afin de constituer des noyaux plus lourds tout en libérant une importante quantité d'énergie sous la forme de rayonnement radioactif. Il serait alors intéressant de calculer l'activité nucléaire du Soleil : La notion d'activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l'activité d'une source correspond à l'expression du nombre de désintégrations par secondes d'un atome composé d'un certain nombre de noyaux radioactifs. Cette grandeur s'exprime habituellement en becquerels de symbole Bq. On peut donc en déduire un taux de désintégration des noyaux atomiques. Cependant, l'utilisation de cette unité pose parfois des problèmes. En effet, le becquerel est une unité petite. Par exemple, un élément radioactif dont la durée de demie-vie est d'un million d'années,  une mole de cet élément aura une activité de 20 x 109 Bq.

Pour un échantillon de noyaux radioactifs, le temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents à un instant t se soit désintégrée.

Pour rappel, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l'Homme. Dans le cas où les radioisotopes sont dans un mélange, plus la demie-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !