Cours s1 radioactivite BCG
INTRODUCTION Cours s1 radioactivite
La thermodynamique est une branche essentielle de la physique qui étudie les échanges de chaleur et d'énergie. Que vous soyez un étudiant, un ingénieur ou simplement curieux, comprendre les principes de la thermodynamique peut vous offrir des perspectives fascinantes sur le monde qui nous entoure.
Les Fondements de la Thermodynamique
La thermodynamique repose sur plusieurs principes fondamentaux. Par exemple, la dilatation des matériaux est un phénomène où la plupart des solides, liquides et gaz augmentent de volume lorsqu'ils sont chauffés. Cette propriété est exploitée dans la construction de thermomètres, qui mesurent la température en observant l'expansion d'un matériau.
Les Thermocouples et l'Effet Seebeck
Les thermocouples sont des dispositifs utilisés pour mesurer la température en exploitant l'effet Seebeck, découvert par Seebeck en 1821. Cet effet repose sur la génération d'une tension électrique lorsqu'il y a une différence de température entre deux conducteurs. Les thermocouples sont largement utilisés dans les industries pour surveiller et contrôler les températures.
Les Interactions des Rayonnements Ionisants
Les rayonnements ionisants, tels que les particules alpha, beta et gamma, interagissent avec la matière en transférant leur énergie. Ces interactions peuvent avoir des effets significatifs sur les tissus humains, allant de la destruction cellulaire à la formation de radicaux libres. La quantification de l'irradiation se fait à l'aide d'unités comme le Becquerel (activité) et le Gray (dose).
Applications Industrielles
La thermodynamique trouve des applications dans de nombreux domaines industriels. Par exemple, la compréhension de la dilatation des matériaux est cruciale dans la conception de structures et de machines. Les thermocouples sont utilisés pour contrôler les processus de fabrication, et les principes de la thermodynamique sont essentiels dans le développement de systèmes de chauffage et de refroidissement.
Conclusion
La thermodynamique est une science riche et complexe qui offre de nombreuses applications pratiques. En comprenant les principes de base, comme la dilatation des matériaux et l'effet Seebeck, vous pouvez mieux appréhender les phénomènes thermiques et leurs implications. Que vous soyez un professionnel ou un amateur, la thermodynamique est un domaine fascinant qui mérite d'être exploré.
N'hésitez pas à approfondir vos connaissances en thermodynamique et à expérimenter par vous-même pour voir ces principes en action. La science est une aventure passionnante, et chaque découverte ouvre la porte à de nouvelles possibilités.
En explorant ces concepts, vous serez mieux équipé pour comprendre les phénomènes thermiques et leurs applications pratiques. Alors, plongez dans le monde fascinant de la thermodynamique et découvrez comment la chaleur et l'énergie façonnent notre univers.
Résumé
Le document traite de divers aspects de la thermodynamique, y compris les principes de base, les applications industrielles, et les effets des rayonnements ionisants sur les tissus humains. Il aborde la dilatation des solides, liquides et gaz, les thermocouples et l'effet Seebeck, ainsi que les interactions des particules alpha, beta et gamma avec la matière. Des unités de mesure comme le Becquerel et le Gray sont également mentionnées pour quantifier l'irradiation. Enfin, le document inclut des références bibliographiques pour approfondir les sujets abordés.
Cours s1 radioactivité
I - Introduction
a. La radioactivité dans la nature
La radioactivité est d’origine naturelle. L’intégralité des éléments présents sur Terre, y compris les noyaux radioactifs, ont été formés :
• dans la phase de nucléosynthèse aux premiers instants de l’univers, pour les éléments légers (hydrogène et hélium),
• dans les étoiles, pour les éléments jusqu’au fer,
• lors de l’explosion des étoiles, marquant la fin de vie de celles-ci, pour les éléments au-delà du fer.
La radioactivité est à l’origine de l’apparition de la vie sur Terre.
C’est la chaleur qu’elle génère qui maintient le noyau terrestre sous forme liquide, et qui a permis lors des éruptions volcaniques la formation de l’atmosphère primitive (protection contre les météorites, effet de serre pour diminuer les écarts thermiques entre le jour et la nuit).
C’est aussi la radioactivité qui entretient la combustion au sein du soleil, par le biais des réaction thermonucléaires où l’hydrogène est transformé en hélium.
b. La radioactivité et l’homme
Depuis plus d’un siècle, l’homme a découvert l’existence de la radioactivité. Il a su exploiter l’énergie fabuleuse cachée au cœur de la matière, avec plus ou moins de bonheur, et même créer de nouveaux éléments qui n’existent pas sur Terre !
Quelques applications :
• énergétiques : centrales nucléaires à fission,
• médicales : utilisation de traceurs radioactifs pour les diagnostics, traitement des cancers,
• biologiques / géologie : études in vivo à l’aide de marqueurs radioactifs, datation
• militaires : bombes nucléaires à fusion ou à fission
c. Ordres de grandeur
On va comparer les grandeurs physiques du monde atomique avec celles du monde subatomique.
Echelles de distance (1 : 10-5)
La taille des atomes est de l’ordre de 10-10 m ou 1 Å.
La taille des noyaux est de l’ordre de 10-15 m ou 1 fermi (fm).
Echelle de masse volumique (1 : 1014)
La quasi totalité de la masse d’un atome est concentrée dans le noyau. Pour rendre compte de la compacité du noyau, on peut comparer la masse d’un volume d’un centimètre cube (un dé à coudre) rempli d’atomes de fer, et de noyaux de fer :
• masse d’un cm3 d’atomes de fer : 7,874 g
• masse d’un cm3 de noyaux de fer ≈ 2,125 x 1014 g soit plus de 200 millions de tonnes dans un dé à coudre !!! On peut trouver dans l’univers des objets aussi denses, sous la forme d’étoiles à neutrons.
Echelle d’énergie (1 : 106)
Si compare les énergies en jeu au sein des atomes et des noyaux d’atomes, on observe que l’énergie de liaison des électrons au noyau est environ un million de fois plus petite que l’énergie de liaison qui assure la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau.
C’est cette différence entre énergies de liaison qui explique l’écart entre les effets des réactions chimiques (ex. dynamite) et des réactions nucléaires (ex. bombe atomique).
II. Notations
Un noyau comportant Z protons et N neutrons est noté sous la forme : A Z N X . A est le nombre de nucléons, c'est-à-dire le nombre de protons et de neutrons : A=Z+N. Pour définir un noyau, on donne souvent le nom de l’élément chimique (qui fixe le nombre de protons) et le nombre de nucléons (qui fixe la somme du nombre de protons et de neutrons) :
• carbone 12 : 12 6 6 C
(carbone = 6ième élément de la classification de Mendeleïev. Il y a 6 électrons dans cet atome donc le noyau considéré contient 6 protons. Le nombre total de nucléons est 12, le noyau contient donc 12-6 = 6 neutrons).
• uranium 235 : 235 92 143 U
(uranium = 92ième élément de la classification de Mendeleïev. Il y a 92 électrons dans cet atome donc le noyau contient 92 protons. Le nombre total de nucléons est 235, le noyau contient donc 235-92 = 143 neutrons).
a. Classification des noyaux
Les noyaux ayant le même nombre Z de protons s’appellent des isotopes : 16 17 18
8 8 8 9 8 10 O, O, O
Les noyaux ayant le même nombre N de neutrons s’appellent des isotones : 15 16
7 888 N, O
Les noyaux ayant le même nombre A de nucléons s’appellent des isobares : 40 40
18 22 20 20 Ar , Ca
On peut noter que plusieurs isotopes d’un même élément chimique sont naturellement présents dans l’atmosphère. Ainsi, le carbone que l’on trouve dans le CO2 par exemple, est réparti de la manière suivante :
• 98,89% de 12
6C (stable)
• 1,11 % de 13
6C (stable)
• et une infime fraction de 14
6C (radioactif de période 5730 ans) : le rapport
146126CC vaut 12 1,3 10
Le carbone est fixé par les êtres vivants et on le retrouve par exemple dans la cellulose des arbres, créée lors de la photosynthèse. Ainsi, le bois d’un arbre est naturellement radioactif. C’est cette propriété des tissus vivants à fixer le CO2 (donc le 14 6C ) qui est à l’origine de la méthode de datation par le carbone 14. Plus surprenant, le corps humain est lui aussi naturellement radioactif ! La radioactivité du corps humain provient de la présence en son sein de deux radioéléments d'origine naturelle, le potassium-40 et le carbone-14, à l'origine de 8000 désintégrations par seconde.
b. Vallée de stabilité
La représentation des noyaux connus dans un graphe (N, Z) permet de mettre en évidence la ligne de stabilité, peuplée par les noyaux stables (on devrait plutôt parler de courbe de stabilité).
Les noyaux instables vont, par une suite de désintégrations radioactives, se transformer jusqu'à devenir stables :
• au dessous des noyaux stables, on trouve en bleu les noyaux trop riches en neutrons. Ces noyaux reviennent vers la ligne de stabilité par désintégration β-, qui transforme au sein du noyau un neutron en proton.
• au dessus des noyaux stables, on trouve en rouge les noyaux trop riches en protons. Ces noyaux reviennent vers la ligne de stabilité par désintégration β+ ou par capture électronique, qui transforme au sein du noyau un proton en neutron.
• les noyaux lourds riches en protons sont revenir vers la ligne de stabilité par désintégration alpha
• Enfin, les noyaux très lourds se fissionnent en donnant naissance à des produits de désintégration légers.
Une représentation en 3D où le troisième axe représente la masse des noyaux permet d’illustrer les transformations nucléaires jusqu'à atteindre l’état de stabilité maximal, en fond de vallée.
