L'américium,
de symbole Am, est un radionucléïde artificiel dont l'isotope 241 a été
synthétisé pour la première fois par Glenn T.Seaborg en 1944.
L'américium est instable : il décroît par désintégration alpha
en neptunium Np. l'américium 241 descend du plutonium 241 et constitue
par conséquent un déchet radioactif dans les réacteurs nucléaires.
Plusieurs
applications techniques font appel aux propriétés de l'américium 241.
C'est le cas notamment des détecteurs ioniques de fumée qui
contiennennt une source scellée d'américium ( sous forme d'oxyde AmO2
). Deux électrodes soumises à une différence de potentiel permettent de
collecter le couranr crée après ionisation de l'air par les particules
alpha émises par lasource. Lorsque la fumée pénètre dans l'espace
inter-électrode,l'intensité de l'ionisation et donc celle du courant
mesuré diminue. Cette variation déclenche le système d'alarme.
Données : demi-vie ou période radioactive de l'américium 241 : t½ = 432 ans.
NA = 6,02 1023 mol-1 ; h = 6,63 10-34 J s-1 ; c = 3,00 108 m/s ; masse molaire M(Am) = 241 g/mol.
Le curie 1 Ci = 3,7 1010 Bq ; le gray 1 Gy = 1 J kg-1 ; 1 eV = 1,60 10-19 J.
Donner
la composition du noyau d'aéricium 24195Am.
95 : n° atomique ; 241 : nombre de nucléons ( nombre de masse )
95 protons et 241-95
= 146 neutrons.
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Ecrire l'équation de la désintégration d'un noyau d'américium 241. Préciser la composition du noyau fils.
24195Am
---> AZX
+42He.
Conservation de la charge : 95 = Z+2 d'où Z = 93 ( on identifie l'élément neptunium Np ).
Conservation du nombre de nucléons : 241 = A+4 d'où A = 237.
24195Am
---> 23793Np
+42He.
23793Np : 93 protons et 237-93 =144 neutrons.
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Montrer que
la valeur de la constante radioactive l de l'américium 241 vaut 5,08 10-11 s-1.
l =
ln2 / t½ =ln 2 / (432*365*24*3600) = 5,08 10-11 s-1.
Exprimer en Becquerel l'activité A1 d'un échantillon de masse m = 1,00 g d'américium 241. Faire l'application numérique.
Nombre N0 de noyaux d'américium 241 : N0 = m / M(Am) NA = 1,00 / 241 *6,02 1023 =2,498 1021.
A1 = l N0 =5,08 10-11 *2,498 1021 =1,27 1011 Bq.
Cette activité représente l'activité massique de l'américium 241.
La documentation d'un détecteur de fumée indique que la source qu'il contient a une activité AS = 0,90 µCi = 3,3 104 Bq.
En déduire la masse mS d'américium 241 contenue dans la source.
mS = AS / A1 = 3,3 104 / 1,27 1011 =2,60 10-7 g.
36 % des désintégrations de l'américium 241 s'accompagnent de l'émission d'un photon g d'énergie E = 60 keV.
Calculer en joule, l'énergie d'un photon g.
E = 60 103 *1,60 10-19 = 9,6 10-15 J.
Ce photon est-il plus ou moins énergétique qu'un photon du domaine de la lumière visible ?
Les photons g sont beaucoup plus énergétiques que les photons du domaine visible.
Le
particules alpha émises par l'américium sont très
énergétiques (5 Mev ) mais ne sont pas dangereuses pour l'utilisateur
dans la mesure où elles sont arrêtées par quelques centimètres d'air ou
le plastique du détecteur.
Les rayons g sont-ils arrêtés par le boîtier ? Si non, comment pourrait-on s'en protéger ?
Le rayons g
sont très pénétrants et le plastique du boîtier ne les arrête pas. Par
contre quelques centimètres de plomb sont capables d'arrêter les photons g.
La dose maximale reçue est évaluée dans cette question.
Déterminer le nombre de photons g émis en moyenne par la source chaque seconde.
AS = 0,90 µCi = 3,3 104 Bq = 3,3 104 désintégrations par seconde.
De plus, 36 % des désintégrations de l'américium 241 s'accompagnent de l'émission d'un photon g.
D'où le nombre de photons g : 0,36* 3,3 104 =1,188 104 ~1,2 104.
On montre que l'énergie W libérée par la source pendant une seconde et contenue dans le rayonnement g est de 1,20 10-10 J.
En supposant que toute cette énergie est captée par le corps de l'utilisateur ( de masse mu = 70 kg ), déterminer la dose horaire reçue en nGy.
Energie reçue en 1 heure : 3600 W = 3600* 1,20 10-10 =4,32 10-7 J.
Dose horaire : énergie reçue / mu = 4,32 10-7 / 70 = 6,17 10-9 ~6,2 10-9 Gy h-1~6,2 nGy h-1.
Comparer ce résultat à la dose moyenne reçue en France due à la radioactivité naturelle ( tellurique, cosmique... ) : 91 nGy h-1.
6,2 /91 ~6,8 10-2 ( 6,8 %).
La
dose horaire due à la source d'américium 241 est voisine de 7 %
de la dose horaire reçue du fait de la radioactivité naturelle.