Physique Nucléaire

Radioactivité et Nucléaire

Du noyau atomique aux applications : comprendre la radioactivité pour mieux la maîtriser et l'utiliser.

Objectifs du Chapitre

Connaître la structure du noyau atomique

Distinguer les types de radioactivité (α, β, γ)

Appliquer la loi de décroissance radioactive

Utiliser les techniques de détection

Appliquer les règles de radioprotection

Connaître les applications médicales et industrielles

I. Structure du Noyau

Notation du noyau

^A_ZX

Numéro atomique (protons)

Nombre de masse (nucléons)

N = A - Z

Nombre de neutrons

Isotopes

Noyaux ayant le même Z (même élément) mais un N différent.

¹H

Protium

²H

Deutérium

³H

Tritium (radioactif)

II. Types de Radioactivité

Type	Particule	Équation	Pénétration
α (alpha)	⁴He (2p + 2n)	^AX → ^A-4Y + ⁴He	Feuille de papier
β⁻	Électron	^AX → ^AY + e⁻ + ν̄	Quelques mm alu
β⁺	Positon	^AX → ^AY + e⁺ + ν	Annihilation rapide
γ (gamma)	Photon	^AX* → ^AX + γ	Cm de plomb

Lois de conservation

• Conservation du nombre de masse A (∑A = constante)
• Conservation du numéro atomique Z (∑Z = constante)
• Conservation de l'énergie (défaut de masse → énergie)

III. Décroissance Radioactive

3.1 Loi de décroissance

N(t) = N₀ × e^-λt

N₀

Nombre initial de noyaux

Constante de désintégration (s⁻¹)

Temps (s)

3.2 Période radioactive (demi-vie)

t_1/2 = ln(2) / λ ≈ 0,693 / λ

Temps au bout duquel la moitié des noyaux s'est désintégrée.

Isotope	Demi-vie	Usage
^99mTc	6 h	Scintigraphie
¹³¹I	8 jours	Thyroïde
⁶⁰Co	5,3 ans	Radiothérapie, stérilisation
¹⁴C	5730 ans	Datation archéologique
²³⁸U	4,5 × 10⁹ ans	Datation géologique

3.3 Activité

A(t) = λ × N(t) = A₀ × e^-λt

Unité : Becquerel (Bq) = 1 désintégration/seconde. Ancienne unité : Curie (Ci) = 3,7 × 10¹⁰ Bq.

IV. Radioprotection

4.1 Grandeurs dosimétriques

Grandeur	Définition	Unité
Dose absorbée D	Énergie déposée par unité de masse	Gray (Gy) = J/kg
Dose équivalente H	D × facteur de pondération (wR)	Sievert (Sv)
Dose efficace E	∑(H × wT) - risque total	Sievert (Sv)

4.2 Principes de radioprotection

⏱️

TEMPS

Minimiser la durée d'exposition

📏

DISTANCE

S'éloigner (D ∝ 1/r²)

🛡️

ÉCRAN

Interposer des matériaux

4.3 Limites réglementaires

Public

1 mSv/an

Travailleurs exposés

20 mSv/an

Exposition naturelle moyenne en France ≈ 2,4 mSv/an (radon, cosmiques, alimentation).

V. Pièges à Éviter

❌ Confondre activité et dose

A en Bq = désintégrations/s. D en Gy = énergie absorbée/masse. 1 MBq de ¹³¹I ≠ 1 MBq de ⁶⁰Co en termes de dose.

❌ Oublier les lois de conservation

Vérifier ∑A et ∑Z de chaque côté de l'équation nucléaire.

❌ Mauvaise unité pour λ

λ en s⁻¹ si t en s, λ en an⁻¹ si t en ans. Attention aux conversions !

❌ Négliger l'écran approprié

α : papier. β : aluminium/plastique. γ : plomb/béton. Utiliser le bon matériau.

Points Clés à Retenir

α = ⁴He (faible pénétration), β = e⁻/e⁺, γ = photon (haute pénétration)

N(t) = N₀ × e⁻λt, t½ = ln(2)/λ

A (Bq) = λ × N = désintégrations/s

D (Gy) → H (Sv) → E (Sv) avec facteurs de pondération

Radioprotection : Temps, Distance, Écran

Limites : 1 mSv/an (public), 20 mSv/an (travailleurs)

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