Aurélie 20/06/06

radioactivité : à propos des noyaux d'argent

d'après bac S Asie 2006




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radioactivité : à propos des noyaux (5,5 points)

On soumet à un flux de neutrons lents un échantillon d'argent ne contenant que des atomes d'argent 107. Un noyau d'argent 107 capte un neutron et il se forme un noyau d'argent 108. Le noyau d'argent 108 est radioactif. Il se désintègre suivant plusieurs processus compétitifs dont la radioactivité b - et la radioactivité b+.

Donnée: extrait de la classification périodique fournissant les symboles des éléments et leur numéro atomique

Rh : Z = 45; Pd : Z = 46 ; Ag : Z = 47 ; Cd : Z = 48 ; In :Z = 49 

I- Capture d'un neutron :

  1. Rappeler les deux lois de conservation qui permettent d'écrire l'équation d'une réaction nucléaire.
  2. Écrire l'équation de la réaction de capture d'un neutron par un noyau d'argent 107. 

II- Désintégration du noyau d'argent 108 :

  1. Rappeler la nature des particules émises au cours des radioactivités b - et b+. Écrire leur symbole.
  2. Ecrire les équations correspondant à chacune des transformations radioactives pour l'argent 108.

III- Activité d'un échantillon de noyaux d'argent 108 :

On considère un échantillon contenant N0 noyaux d'argent 108 à l'instant de date t = 0 s. Soit N, le nombre de noyaux restant à l'instant de date t.

  1. Rappeler l'expression de N en fonction de N0, de t et de la constante radioactive l.
  2. Donner la définition de la demi-vie radioactive t1/2.
  3. La relation entre la demi-vie radioactive t1/2 et la constante radioactive l est l t1/2 =ln2 . Le symbole ln représente le logarithme népérien. Quelle est l'unité de l ?
  4. L'activité à l'instant t d'un échantillon est définie par la relation A = -dN/dt . Elle représente le nombre de désintégrations qui ont lieu par seconde. On détermine l'activité en mesurant le nombre n1 de désintégrations qui se produisent pendant une durée Dt très petite devant la demi-vie radioactive t1/2. On a alors A = n1 / Dt. Montrer que l'activité peut aussi s'exprimer par A = l N.
    - Exprimer n1 en fonction de Dt, N0, t et l.
    - En déduire l'expression de ln(n1) en fonction de Dt, N0, t et l.

IV- Demi-vie radioactive de l'argent 108 :

On se propose de déterminer expérimentalement la demi-vie de l'argent 108. On s'inspire des résultats théoriques de la question 3 et on mesure le nombre n1 de désintégrations obtenues pendant la durée D t = 0,50 s. Cette mesure se répète toutes les 20 s. Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous.

 
t(s)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
n1
542
498
462
419
390
353
327
301
273
256
230
216
Grâce à un tableur, il est possible de tracer le graphe représentant l'évolution de ln(n1) en fonction du temps. Le graphe est donné ci-après.

  1. La représentation graphique est-elle en accord avec la relation trouvée précédemment ?
  2. En utilisant le graphe, déterminer l et N0.
  3. En déduire t1/2.

 




corrigé


Capture d'un neutron :

équation de la réaction de capture d'un neutron par un noyau d'argent 107 :

10747Ag + 10n =  10847Ag

conservation du nombre de nucléons : 107+1 = 108

conservation de la charge : 47+0=47

Désintégration du noyau d'argent 108 :

Les particules émises au cours des radioactivités b - et b+ sont respectivement un électron 0-1e et un positon 01e.

équations correspondant à chacune des transformations radioactives pour l'argent 108 :

 10847Ag = AZX + 0-1e

la conservation du nombre de nucléon impose A= 108 ; la conservation de la charge conduit à : Z=48, élément cadmium Cd

10847Ag = AZX + 01e

la conservation du nombre de nucléon impose A= 108 ; la conservation de la charge conduit à : Z=46, élément palladium Pd


Activité d'un échantillon de noyaux d'argent 108 :

On considère un échantillon contenant N0 noyaux d'argent 108 à l'instant de date t = 0 s. Soit N, le nombre de noyaux restant à l'instant de date t.

expression de N en fonction de N0 de t et de la constante radioactive l : N= N0 exp(-lt)

la demi-vie radioactive t1/2 est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés.

l t1/2 =ln2 ; ln2 étant sans dimension, en conséquence l est l'inverse d'un temps : [l]= T-1. l s'exprime en s-1.

Expression de n1 en fonction de Dt, N0, t et l :

d'une part A = -dN/dt et N= N0 exp(-lt) d'où : A= N0 lexp(-lt) = l N

d'autre part : A = n1 / Dt

en conséquence : n1 / Dt = N0 lexp(-lt) soit n1 = Dt N0 l exp(-lt)

ln(n1) = ln(Dt N0 l) - lt


Demi-vie radioactive de l'argent 108 :

ln(n1) = ln(Dt N0 l) - lt :

ln(Dt N0 l) est une constante ; l est également une constante positive ( -l négatif) : donc ln(n1) = A+Bt, fonction affine décroissante:

La représentation graphique est en accord avec la relation ln(n1) = ln(Dt N0 l) - lt

ln(Dt N0 l) =A = 6,4 avec Dt = 0,5 s

Dt N0 l = e6,4 ; N0 = e6,4 /(Dt l ) = e6,4 /(0,5*4,26 10-3)=2,8 105 noyaux.

Or l t1/2 = ln2 soit t1/2 =ln2 / l = ln2 / 4,26 10-3 = 163 s.

 





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