Grand oral du bac : Sciences LA RADIOACTIVITÉ

« La radioactivité rencient par le nombre de protons (chargés positi­ vement) de leur noyau atomique : un pour l' hydrogène, deux pour l'hélium, et jusqu'à 92 pour l'uranium.

L'étude de la radioactivité et de ses produits permit en outre d'identifier le rôle d'une seconde particule du noyau, sans charge électrique et de masse comparable à celle du proton: le neutron.

Il ne fut détecté qu'en 1930 par le physicien alle­ mand Walter Bothe (1891-1957, prix Nobel de physique en 1954), mais dès 1913, son existence au sein du noyau avait été subodorée afin d'expli­ quer le curieux éventail de masses différentes rencontré chez certains atomes.

Les isotopes Cette existence de plusieurs atomes d'un même élément, au nombre de protons égal mais aux masses différentes, avait été mise en évidence par les physiciens Joseph J.

Thomson (1856-1940) et son élève Francis W Aston (1877-1945), dans le cas du néon : deux variétés du gaz noble étaient identifiables au spectrographe, de masses ato­ miques 20 et 22.

C'était pour cette raison que la masse atomique d'un échantillon de néon, pris dans la nature, accusait une valeur décimale -20,179- plutôt qu'un chiffre rond comme 20.

Le nombr e imparfait trahissait simplement un mélange naturel d'environ 90% de néon 20 et 10% de néon 22 dans le néon terrestre (l'existence d'un néon 21, présent à hauteur de 0,25%, fut également détectée par la suite).

De même, Aston découvrit que le chlore naturel -de masse atomique 35,453-était composé de deux variétés distinctes: le chlore 35 et le chlore 37, le premier étant environ trois fois plus répandu que le second.

Le nom d'isotope fut proposé pour ces atomes d'un même élément chimique, mais de masses différentes.

Cette variabilité de la masse ato­ mique est due à un nombre différent de neutrons dans le noyau, particules de masse voisine de celle du proton, mais sans charge électrique.

Le phénomène de la radioactivité pouvait alors s'expliquer par des changements dans la structure d'un noyau, devenu instable.

Comme le nota dès 1913 le Britannique Frederick Soddy (1877-1956), un rayonnement alpha consistait ....,...

Dans un compteur Geiger-Müller, la radioactivité d'une substance est mesurée par l'effet ionisant de ses rayonnements sur un gaz logé dans un réservoir.

Ici, l'instrument mesure la radioactivité de la peinture phosphorescente des aiguilles d'une montre.

i Les neutrons A sont des particules sans charge électrique, et donc souvent difficiles à détecter.

On peut toutefois visualiser l'effet de leurs collisions avec d'autres particules, comme sur cette image, où trois impacts de neutrons sont matérialisés.

Expérience � conduite dans une chambre de Wilson vers 1920.

Une gerbe de rayons alpha est émise vers le haut, l'une des particules (colorisée sur l'image en bleu, vert ou rouge) rentrant en collision avec un noyau d'hélium présent dans la chambre.

Lors de l'impact, particule incidente et noyau d'hélium sont dispersés sur des trajectoires à angle droit, ce qui indique qu'ils ont la même masse.

Ainsi, on montre qu'un rayon alpha n'est autre qu'un noyau d'hélium.

L'angle de séparation des trajectoires paraÎt légèrement inférieur à 90° sur l'image, en raison de l'angle de prise de vue.

en l'éjection par un atome d'un bloc de deux protons et de deux neutrons (l'équivalent d'un noyau d'hélium), avec transmutation correspon­ dante de l'élément.

Ainsi, le radium, de masse atomique 226,025 (et contenant 88 protons), per­ dait, par émission d'un rayon alpha, deux pro­ tons et deux neutrons, pour se transformer en radon, dont les atomes contiennent 86 protons, et ont une masse atomique de 222.

Plus subtil était le rayonnement bêta, qui trahissait le chan­ gement d'un neutron en proton au sein du noyau, l'élément changeant de nature puisqu'un nombre de protons supérieur lui faisait gagner une place dans la table périodique des élé­ ments.

La période radioactive Les éléments instables se désintègrent par radio­ activité à un rythme constant, caractéristique de l'élément.

Ce rythme est appelé période radioac­ tive -temps mis par un échantillon pour que la moitié de ses atomes se transforment depuis l'ins­ tant initial.

Ainsi, un gramme d'uranium 235 perd la moitié de ses atomes (par désintégration radio­ active) en 713 millions d'années (sa période).

En connaissant la période d'un élément radioactif, � J5 la quantité initiale de l'élément dans un échan- ::o tillon et la quantité mesurée aujourd'hui dans � a.

celui-ci, on peut déterminer l'âge de l'échan- � tillon.

Il en est ainsi pour les méthodes de data- 3l tion par le carbone 14.. »