radionucleides et datation

radionucleides et datation

Radionucléides : ANALYSE DOCUMENTAIRE (MPSI, PC’, PTS, TPC) Avertissement : Cette proposition d’approche documentaire (AD) comprend un ensemble de documents extraits de ressources venant de Sites ou organismes fiables cités en fin de texte. Elle comporte plusieurs parties et peut être exploitée entière (pour de bons élèves, ou pour un devoir maison pendant les vacances ou partiellement, en supprimant différentes parties. e premier paragraphe de présentation de la radioactivité est un rappel de notions vues dans le secondaire le deuxième paragra AD à lui seul les datations peuven l’une de l’autre e cas du césium 137 3 ‘Vipe next page eut être une petite ment, et séparément à lui seul. une petite vingtaine de questions suivent les documents, questions ouvertes, questions fermées. A utiliser et compléter comme on veut ! Le glossaire est à maintenir dans tous les cas, à mon sens.

Rayons alpha, bêta, gamma Les trois rayonnements émis par les noyaux Carte des modes de radioactivité La carte des noyaux est coloriée en fonction des modes de subissent des fissions spontanées (en vert) et très loin de la ligne de stabilité une poignée de noyaux émetteurs de protons (en rouge) ou de neutrons (en mauve). ull NUCLEUS L’habitude d’appeler rayons

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alpha, bêta et gamma les noyaux d’hélium, les électrons ou les photons émis lors de désintégrations radioactives remonte à l’époque de la découverte. Nourris de culture classique, les physiciens étaient alors férus de grec et de latin. appellation est demeurée. La découverte de « rayons » d’origine inconnue émis par des sels d’uranium faisait suite en 1896 à celles d’autres rayons dont on n’avait pas encore élucidé la nature : les rayons X et les rayons cathodiques. Il faudra longtemps pour comprendre l’origine des uns et des autres. Schéma de désintégration Ce noyau de radium-226, le radium de Marie Curie, se désintègre directement dans 94 % des cas dans un noyau de radon en émettant une particule alpha. Dans 6 % des cas cependant, l’émission de la particule alpha laisse le noyau de radon dans un état excité.

Très rapidement, le noyau excité se débarrasse de son énergie en excédent, en émettant un rayon gamma. L Ihabitude est de représenter les divers modes de désintégration d’un noyau au moyen de schémas de désintégration, comme celui représenté à droite de la figure. La radioactivité gamma accompagne généralement les transformations du noyau. s désintégrations alpha, bêta, et gamma font intervenir les forces fortes, faibles et électromagnétiques présentes dans le noyau : le noyau évolue vers un état plus stable en émettant un rayonnement.

Les deux principales causes d’instabilité sont un trop grand nombre de nucl 23 émettant un rayonnement. Les deux principales causes d’instabilité sont un trop grand nombre de nucléons ou un déséquilibre entre les nombres de protons et de neutrons. Dans le premier cas de la radioactivité alpha, le noyau recherche la stabilité en émettant un noyau d’hélium ou particule alpha. Dans le second cas, un proton se transforme en un neutron (ou l’inverse), avec émission d’un électron ou un positon, c’est la radioactivité bêta.

La radioactivité gamma est une simple désexcitation du noyau, de même nature que l’émission de lumière ou de rayons X par les atomes. Les désintégrations gamma sont généralement instantanées et suivent de très prés l’émission de particules alpha ou bêta. En effet, ces emissions laissent presque toujours le noyau dans un état excité. Les désintégrations alpha et bêta ont en général du mal à se produire. Les durées de vie des noyaux radioactifs sont longues our les horloges de l’infiniment petit.

Elles peuvent l’être aussi pour nous. Certains éléments radioactifs naturels comme l’uranium ou le thorium ont des durées de vie de quelques milliards d’annees. Ces émissions changent la composition du noyau, donc la nature de l’atome. La radioactivité ne transforme pas le plomb en or, mais elle transmute la matière comme le font les autres réactions nucléaires. La décroissance radioactive : une loi fondamentale La loi de décroissance radioactive est une fondamentale de la radioactivité.

Quand un noyau se désintègre en émettant une articule alpha ou un électron bêta, il se transforme : c’est ainsi que du radium devient du radon, du tritium de l’hélium-3 ! De ce fait, le nombre d’atomes ainsi que du radium devient du radon, du tritium de l’hélum-3 ! De ce fait, le nombre d’atomes de Pespèce radioactive diminue inexorablement. Il en va de même du nombre de désintégrations par seconde, que l’on appelle activité de la source radioactive, et du nombre de rayonnements émis. Marchant de concert, ces trois quantités diminuent parallèlement !

Demi-Vie Le nombre de noyaux d’un échantillon radioactif diminue de oitié au bout d’un temps caractéristique appelé  » période radioactive ». Cette division par deux ne dépend pas de l’âge des noyaux. Au bout de deux périodes, le nombre de noyaux est divisé par quatre, au bout de trois périodes par huit, etc… Cette loi de décroissance en fonction du temps est dite exponentielle. La période est, avec la nature des rayonnements émis, la principale caractéristique d’un d’élément radioactif.

N2P3 La décroissance est simple quand le noyau retrouve la stabilité après avoir émis son rayonnement : une décroissance semblable ? celle d’une monnaie qui perdrait chaque année quelques pourcents de sa valeur. La population des radioéléments décroît selon une loi appelée exponentielle. Cette population est divisée par deux, chaque fois qu’un laps de temps caractéristique de l’isotope, appelé période, s’écoule. La période radioactive, qui mesure la rapidité de la décroissance, est une caractéristique du noyau. L’évolution se complique si respèce radioactive est elle-même issue de désintégrations antérieures.

On parle alors de filiation radioactive. ‘espèce peut être également régénérée d’une façon ontinue par le rayonnement cosmique comme le carbone-14 dans l’atmosphère ou enc 4 23 d’une façon continue par le rayonnement cosmique comme le carbone-14 dans l’atmosphère ou encore par le bombardement de neutrons à l’intérieur d’un réacteur. Au bout d’un certain temps un équilibre va s’établir : l’équilibre radioactif. En tout état de cause, le nombre de noyaux qui se désintègrent à un instant donné reste toujours en proportion du nombre de noyaux de l’espèce présents.

Des millions de milliards de milliards d’atomes sont présents dans le moindre gramme de matière. Même présents en proportion infime dans un échantillon, les noyaux radioactifs sont innombrables. L’activité (le rythme de leurs désintégrations ou des rayons qu’ils émettent) est toujours mesurée par des chiffres impressionnants qui reflètent simplement la petitesse des noyaux et leur multitude symbolisée par le nombre d’Avogadro. La transformation radioactive d’un noyau individuel est un phénomène spontané et aléatoire dont on ne saurait prédire quand elle se produira.

La transformation d’un noyau ne dépend pas de son âge et n’influence pas les autres. Un noyau de carbone 4 provenant des cendres dun foyer d’une caverne préhistorique et un autre provenant d’un arbre fraîchement coupé ont la même chance de se désintégrer dans les temps à venir. Cette probabilité de désintégration constante au cours du temps est une caractéristique du noyau, reliée simplement à la période radioactive. Les déchets radioactifs décroissent aussi La décroissance radioactive joue un grand rôle dans la gestion des déchets radioactifs.

Elle est compliquée par la présence simultanée de plusieurs espèces radioactives, chacune décroissant indépendamment à son s 3 résence simultanée de plusieurs espèces radioactives, chacune décroissant indépendamment a son propre rythme. par exemple, on recense 9 principales espèces contribuant à la très forte activité des déchets issus du retraitement des combustibles usés des réacteurs français. Les périodes sont très disparates : 7 possèdent des périodes allant de 2 à 90 ans ; 2 des périodes très longues, l’américium-241 (431 ans) et surtout le technetium-99 (211 000 ans).

Ces déchets ont été vitrifiés pour emprisonner la radioactivité. Il faut s’assurer que ces verres tiennent le temps nécessaire pour ue cette radioactivité ne soit plus que l’ombre d’elle même. Faut-il attendre 200 000 ans, l’équivalent de 6 000 générations, comme l’affirmait une émission qui fit du bruit en octobre 2009 mais ne disait mot de cette décroissance ? De fait, la radioactivité du colis est divisée par 10 000 au bout de 5000 ans, date de la disparition de l’américium.

Au delà, perdure le très faible résidu de radioactivité du technétium. L’important, c’est de confiner la radioactivité jusqu’à cette disparition de l’américium. Les ingénieurs garantissent que leurs verres tiennent au moins 10 00 ans. Décroissance d’un colis de haute activité A partir de l’inventaire des constituants établis par FANDRA, la décroissance de l’activité du colis de déchets de haute activité à été évaluée aux temps de 100, 1000 et 10 000 ans (l’activité est ici figurée par la taille du conteneur).

Les contributions des principaux éléments sont également représentées. Aux environs de 1000 ans l’américium de 432 ans de période domine, alors que le résidu de technétium (T=211 000 ans) l’em 6 3 l’américium de 432 ans de période domine, alors que le résidu de echnétium (T=211 000 ans) l’emporte à IO 000 ans et au delà. On voit que la décroissance de la radioactivité du déchet serait accélérée par l’élimination de l’américium par les techniques de transmutation. IN2P3 Exemples de périodes radioactives .

Eléments chimiques Période radioactive Uranium 238 4,47 milliards d’années Potassium 40 1,3 milliards d’années Uranium 235 704 millions d’années Carbone 14 5730 ans Radium 226 1600 ans Césium 137 30,2 ans Strontium 90 28,8 ans Tritium 12,3 ans Cobalt 60 5,27 ans Iode 131 8,05 jours Phosphore 30 2,55 minutes Hélium 6 ,82 seconde (l, numéro atomique 53) : Elément dont les isotopes radioactifs sont présents dans les pro n. Tous les isotopes d’un vestige ancien La plus connue des techniques de datation est la datation au carbone-14.

Le carbone-14 est un isotope radioactif du carbone présent en infime quantité dans l’atmosphère. Les végétaux et les animaux assimilent en permanence du gaz carbonique formé à partir de cet isotope de la même façon qu’ils absorbent le gaz carbonique formé à partir du carbone ordinaire ou carbone-12. Le carbone-14 est constamment renouvelé. Il a pour origine es particules cosmiques provenant principalement du soleil. Ces particules quand elles pénètrent dans la haute atmosphère brisent les noyaux qu’elles rencontrent.

Dans la collision, des neutrons sont libérés. Ces neutrons rencontrent à leur tour un noyau d’azote de l’air. Ils s’introduisent dans ce noyau, provoquant l’expulsion d’un proton et une transmutation en carbone-14 Il est naturel de supposer que le bombardement cosmique responsable de cette formation est constant à l’échelle de quelques milliers d’années. Ce bombardement dépend principalement de deux facteurs qui varient très lentement, ‘activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre sert de bouclier contre le rayonnement cosmique.

Quand sa valeur diminue, le bombardement cosmique augmente et avec lui la formation de carbone-14. Tout être vivant assimile du gaz carbonique, dont une petite fraction contenant du carbone-14. Cette assimilation cesse ? la mort de l’organisme. Le stock de carbone-14 est figé. Quand bien plus tard, un archéologue en examine les vestiges (cendres de foyer, os, restes de végétaux) le nombre de noyaux de carbone-14 a décru selon une loi exponentielle de s, restes de végétaux) le nombre de noyaux de carbone-14 a décru selon une loi exponentielle de période 5700 ans.

L’archéologue date le fossile en comparant la fraction de noyaux de carbone 14 subsistant à la fraction existante au moment où l’échantillon s’est « fermé » aux échanges avec l’extérieur. ‘hypothèse la plus simple est que la teneur de radioélément au moment de la « fermeture » est la même que celle mesurée sur un échantillon de carbone prélevé sur une plante actuelle. La comparaison des activités en carbone-14 du fossile et du composé végétal actuel donne l’âge. Le calcul suppose que le taux de formation du carbone-14 atmosphérique n’a pas varié par rapport au moment où le fossile vivait.

Ceci n’est pas tout à fait vrai et il est nécessaire de recaler dans le temps et d’effectuer des corrections. La mesure de la teneur en Carbone-14 requiert le prélèvement d’un échantillon suffisant du fossile. Elle est délicate. Il existe mille milliards de fois moins (10 puissance -12) d’atomes de carbone-14 radioactifs que de carbone-12. La radioactivité d’un gramme de carbone frais se compte en coups par minute. Pour des échantillons anciens, elle devient très faible. Depuis peu se sont développées des techniques très sensibles qui consistent à compter les atomes de carbone-14 au lieu de compter leurs rares désintégrations.

Grâce à un « spectrographe de masse » couplé à un accélérateur de particules, on arrive ainsi à mesurer des teneurs en carbone-14 aussi minimes qu’un millionième de milliardième (10 puissance -15) et remonter ? 50000 ans. Cette technique a d’abord été mise en œuvre en France au centre des faible 3 remonter à 50000 ans. des faibles radioactivités de Gif-sur-Yvette en France avec un instrument appelé Tandetron. Il a été remplacé depuis 2004, par Artemis, un spectromètre de masse capable de dater chaque année 4 500 échantillons de moins d’un milligramme.

ARTEMIS : une installation pour compter les atomes de Quand les vestiges à dater sont très anciens, les noyaux de carbone-14 sont devenus si rares que l’observation de leurs désintégrations devient impraticable. Il faut compter les atomes de carbone-14 eux mêmes. On utilise dans ce dessein une installation lourde : un spectrographe de masse associé à un petit accélérateur. Des échantillons de quelques milligrammes du carbone à dater y sont introduits ce qui permet de mesurer les bondances isotopiques du carbone ordinaire et de son isotope radioactif.

La photographie montre l’installation ARTEMIS du CEA ? Saclay. ARTEMIS/CEA 2. Remonter très loin dans le passé : datation en géologie Pour dater des matériaux géologiques très anciens, on a recours à des radioéléments dont la période est comprise entre quelques centaines de millions d’années et quelques milliards d’années. La décroissance de ces éléments, dont le plus connu est l’uranium-238, joue le rôle de chronomètre. a. Potassium 40-Argon 40 L’ Etna en éruption Coulée de lave lors d’une 0 3 na. Des coulées