Sciences
Qu'est-ce que la radioactivité, et qu'est-ce que la demi-vie ?
Réponse rapide
La radioactivité est la désintégration de noyaux atomiques instables, qui émettent un rayonnement alpha, bêta ou gamma. La demi-vie est la durée pour que la moitié de ces noyaux se désintègre.
En une phrase
La radioactivité, c'est ce qui se passe quand le noyau d'un atome instable se brise tout seul en émettant un rayonnement, pour devenir un noyau plus stable.
Explication
Chaque atome possède un minuscule noyau fait de protons et de neutrons. La plupart des noyaux sont stables et ne changent jamais. D'autres ont un mélange de protons et de neutrons mal équilibré, ou trop d'énergie : ils sont instables. Tôt ou tard, un noyau instable se désintègre : il éjecte une particule ou un paquet d'énergie et devient un noyau différent, plus stable. Cette émission est un rayonnement nucléaire, et la substance est dite radioactive.
banane
caillou
hôpital
La désintégration est aléatoire. Personne ne peut dire quand un noyau donné va se désintégrer, de même qu'on ne sait pas quelle pièce tombera sur pile. Mais avec des milliards de noyaux, le comportement devient très prévisible : c'est ce que décrit la demi-vie.
Il existe trois grands types de rayonnement :
- Alpha (α) : 2 protons et 2 neutrons, soit un noyau d'hélium. C'est le plus ionisant (il arrache facilement des électrons aux atomes) mais le moins pénétrant : quelques centimètres d'air, une feuille de papier ou la couche externe de la peau l'arrêtent.
- Bêta (β⁻) : un électron rapide émis par le noyau quand un neutron se transforme en proton. Il est moins ionisant et va plus loin ; quelques millimètres d'aluminium l'arrêtent.
- Gamma (γ) : ce n'est pas une particule mais une onde électromagnétique de très grande énergie (voir le spectre électromagnétique). C'est le moins ionisant et le plus pénétrant ; une forte épaisseur de plomb ou de béton l'atténue.
La demi-vie (ou période radioactive) est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux instables d'un échantillon s'est désintégrée, ou l'activité a été divisée par deux. Elle dépend de l'isotope : environ 6 heures pour le technétium 99m, environ 8 jours pour l'iode 131, environ 5 730 ans pour le carbone 14 et environ 4,5 milliards d'années pour l'uranium 238. Après une demi-vie il reste ½, après deux ¼, après trois ⅛. La quantité n'atteint jamais tout à fait zéro : elle continue d'être divisée par deux.
L'activité se mesure en becquerels (Bq) : 1 Bq, c'est une désintégration par seconde. Un compteur Geiger (tube de Geiger-Müller) détecte le rayonnement et donne un taux de comptage. Le sievert (Sv) mesure l'effet du rayonnement sur le corps. Le rayonnement ne se voit pas, ne s'entend pas, ne se sent pas : d'où l'importance des détecteurs.
Nous recevons tous en permanence un peu de radioactivité naturelle : le radon, un gaz qui s'échappe de roches comme le granite (c'est pourquoi on en parle beaucoup en Bretagne), les rayons cosmiques, les matériaux de construction et l'alimentation. La banane contient du potassium, et une infime partie du potassium naturel est du potassium 40, radioactif. La quantité est minuscule et la banane se mange sans aucun risque.
Exemples
| Type | Ce que c'est | Arrêté par | Ionisant | Effet sur le noyau |
|---|---|---|---|---|
| Alpha (α) | 2 protons + 2 neutrons | papier, peau, quelques cm d'air | très | nombre de masse −4, numéro atomique −2 |
| Bêta (β⁻) | électron rapide | quelques mm d'aluminium | moyennement | nombre de masse inchangé, numéro atomique +1 |
| Gamma (γ) | onde électromagnétique | forte épaisseur de plomb ou de béton (l'atténue) | peu | aucun changement des nombres |
Équations de désintégration corrigées (en haut le nombre de masse A, en bas le numéro atomique Z) :
- Désintégration alpha : ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Vérification : 238 = 234 + 4 et 92 = 90 + 2.
- Désintégration bêta : ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e. Vérification : 14 = 14 + 0 et 6 = 7 + (−1).
Applications : les rayons gamma stérilisent le matériel médical et servent en radiothérapie pour détruire les cellules cancéreuses ; des traceurs à courte demi-vie comme le technétium 99m permettent de voir les organes (scintigraphie) ; les anciens détecteurs de fumée contenaient une petite source alpha (américium 241) ; des sources bêta contrôlent l'épaisseur du papier en usine ; le carbone 14 sert à dater le bois et les os anciens.
Erreurs fréquentes
- « Après deux demi-vies, il ne reste plus rien. » Après une demi-vie il reste ½ ; après deux, ¼, pas zéro.
- Oublier le bruit de fond. Retire d'abord le bruit de fond, divise par deux autant de fois que nécessaire, puis rajoute-le si on demande la valeur affichée par le compteur.
- Confondre ionisant et pénétrant. L'alpha est le plus ionisant mais le moins pénétrant ; le gamma, c'est l'inverse.
- Confondre irradiation et contamination. Être irradié (exposé à un rayonnement venant de l'extérieur) ne rend pas radioactif. Être contaminé, c'est avoir de la matière radioactive sur soi ou en soi.
Étape par étape
Étape par étape
- Trouve la demi-vieLis-la dans l'énoncé ou sur un graphique : la durée pour que le taux de comptage passe d'une valeur à sa moitié.
- Compte les demi-viesNombre de demi-vies = durée écoulée ÷ demi-vie.
- Retire le bruit de fondSi on te donne des taux de comptage, soustrais d'abord le bruit de fond.
- Divise par deux autant de foisQuantité restante = quantité initiale × (½)ⁿ, où n est le nombre de demi-vies.
- Vérifie et donne l'unitéRajoute le bruit de fond si besoin et garde les unités (Bq, coups par minute, grammes).
Dans l'autre sens, c'est pareil : s'il reste 1/8 du carbone 14, il s'est écoulé 3 demi-vies (½ × ½ × ½), donc l'échantillon a 3 × 5 730 = 17 190 ans.
Exercices
Radioactivité et demi-vie
Fais chaque exercice, puis vérifie ta réponse.
- Quel rayonnement est un noyau d'hélium ?
Voir la réponse
Alpha - Quel rayonnement est une onde électromagnétique ?
Voir la réponse
Gamma - Quelle fraction d'un échantillon reste-t-il après 4 demi-vies ?
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½ × ½ × ½ × ½ = 1/16 - Quelle fraction s'est désintégrée après 3 demi-vies ?
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Il reste 1/8, donc 7/8 se sont désintégrés. - Une source a une activité de 800 Bq et une demi-vie de 6 heures. Quelle est son activité au bout de 18 heures ?
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18 ÷ 6 = 3 demi-vies : 800 → 400 → 200 → 100 Bq - On a 64 g d'un isotope de demi-vie 5 ans. Combien en reste-t-il après 20 ans ?
Voir la réponse
20 ÷ 5 = 4 demi-vies : 64 → 32 → 16 → 8 → 4 g - Un taux de comptage passe de 2 000 à 250 coups par minute en 24 jours. Quelle est la demi-vie ?
Voir la réponse
2 000 → 1 000 → 500 → 250 font 3 demi-vies : 24 ÷ 3 = 8 jours - L'iode 131 a une demi-vie de 8 jours. Combien de temps faut-il pour passer de 40 MBq à 5 MBq ?
Voir la réponse
40 → 20 → 10 → 5 font 3 demi-vies : 3 × 8 = 24 jours - Une source subit 3 000 désintégrations en une minute. Quelle est son activité en becquerels ?
Voir la réponse
3 000 ÷ 60 = 50 Bq - Complète la désintégration alpha : radium 226 (Z = 88) → ? + ⁴₂He
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226 − 4 = 222 et 88 − 2 = 86 : radon 222 (²²²₈₆Rn) - Lors d'une désintégration bêta, que deviennent le nombre de masse et le numéro atomique ?
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Le nombre de masse ne change pas ; le numéro atomique augmente de 1. - Un compteur affiche 75 coups/min ; le bruit de fond vaut 15 coups/min. Qu'affichera-t-il après 2 demi-vies ?
Voir la réponse
Source seule : 75 − 15 = 60 → 30 → 15. On rajoute le bruit de fond : 15 + 15 = 30 coups/min - Un os contient ¼ du carbone 14 d'un os vivant. La demi-vie du carbone 14 est de 5 730 ans. Quel est son âge ?
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¼ = 2 demi-vies : 2 × 5 730 = 11 460 ans - Devient-on radioactif après avoir été irradié par une source de rayons X ou gamma ?
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Non. Seule une contamination par de la matière radioactive le fait ; l'irradiation s'arrête quand on retire la source.
Problèmes
La radioactivité dans la vie réelle
Fais chaque exercice, puis vérifie ta réponse.
- Un hôpital injecte à 9 h un traceur de 400 MBq de technétium 99m (demi-vie 6 heures). Quelle est son activité à 21 h ?
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12 heures = 2 demi-vies : 400 → 200 → 100 MBq - Pourquoi les médecins choisissent-ils comme traceur un émetteur gamma à courte demi-vie ?
Voir la réponse
Le gamma sort du corps jusqu'au détecteur et est peu ionisant ; une courte demi-vie fait baisser vite l'activité après l'examen. - Une papeterie contrôle l'épaisseur du papier avec une source bêta. Pourquoi ni alpha ni gamma ?
Voir la réponse
L'alpha serait entièrement arrêté par le papier ; le gamma le traverserait quelle que soit l'épaisseur. Le bêta est en partie absorbé, donc le comptage varie avec l'épaisseur. - Un outil en bois contient ⅛ du carbone 14 du bois vivant. Quel est son âge ?
Voir la réponse
⅛ = 3 demi-vies : 3 × 5 730 = 17 190 ans (environ 17 000 ans) - Le radon 222 a une demi-vie de 3,8 jours. Quelle fraction du radon d'un bocal fermé reste-t-il après 11,4 jours ?
Voir la réponse
11,4 ÷ 3,8 = 3 demi-vies : ⅛
Questions fréquentes
C'est quoi, la radioactivité, en mots simples ?
Certains atomes ont un centre (le noyau) instable. La radioactivité, c'est ce noyau qui se casse tout seul en lançant une particule ou un paquet d'énergie : le rayonnement.
Comment la radioactivité a-t-elle été découverte ?
En 1896, Henri Becquerel a constaté que des sels d'uranium voilaient des plaques photographiques rangées dans le noir. Marie et Pierre Curie ont ensuite découvert le polonium et le radium, et Marie Curie a donné son nom au phénomène. Tous trois ont partagé le prix Nobel de physique 1903.
Quelle est la différence entre radioactivité naturelle et artificielle ?
La radioactivité naturelle vient de substances présentes dans la nature : uranium des roches, radon, potassium 40. La radioactivité artificielle vient d'isotopes fabriqués dans des réacteurs ou des accélérateurs ; Irène et Frédéric Joliot-Curie l'ont obtenue pour la première fois en 1934.
Comment mesurer la radioactivité ?
Avec un détecteur comme le compteur Geiger, qui crépite ou affiche un taux de comptage. L'activité s'exprime en becquerels (Bq), l'effet sur le corps en sieverts, souvent en millisieverts (mSv).
Comment la radioactivité est-elle utilisée en médecine ?
Pour diagnostiquer, avec des traceurs à courte demi-vie suivis par une caméra (scintigraphie, TEP), et pour traiter, avec la radiothérapie, qui vise les cellules cancéreuses tout en épargnant au mieux les tissus voisins.
La radioactivité est-elle dangereuse, et comment se protéger ?
Elle peut l'être : un rayonnement ionisant peut abîmer les cellules et l'ADN, et le risque dépend du type de rayonnement, de la dose et de la durée d'exposition. La radioactivité naturelle est faible. Les professionnels appliquent trois règles : limiter le temps, augmenter la distance et utiliser des écrans.
La banane est-elle radioactive ?
Très légèrement, comme beaucoup d'aliments, parce qu'elle contient du potassium dont une infime partie est du potassium 40. C'est sans danger.
Que s'est-il passé à Tchernobyl ?
En 1986, un réacteur de la centrale nucléaire de Tchernobyl, en Ukraine (alors en URSS), a explosé et libéré des substances radioactives sur une grande partie de l'Europe. Une zone d'exclusion entoure encore la centrale.
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La radioactivité
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Question 1 sur 5
Quel rayonnement est arrêté par une feuille de papier ?
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