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Vidéo pour tous, reste de l'article pour spé-pc

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​Qu'est-ce que la radioactivité ?

Dans la nature, la plupart des noyaux d'atomes sont stables, c'est-à-dire qu'ils restent indéfiniment identiques à eux-mêmes. Les autres sont instables car ils possèdent trop de protons ou de neutrons ou trop des deux. Pour revenir vers un état stable, ils sont obligés de se transformer. Ils expulsent alors de l'énergie - provenant de la modification du noyau - sous forme de rayonnements : c'est le phénomène de radioactivité.
Les atomes qui possèdent cette propriété de transformation spontanée en d'autres éléments en émettant de l'énergie sous forme de rayonnements sont appelés " radionucléides " ou " radio-isotopes " (isotope radioactif).

Les atomes

Représentation d'un atome d'aluminium. © Yuvanoe/CEA

Les atomes sont les constituants de base de toute la matière. Ils sont tous bâtis sur le même modèle : un noyau, formé de particules lourdes - protons et neutrons - autour duquel se déplacent les électrons, particule près de 2000 fois plus légère qu'un proton ou neutron. Dans un atome, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Ce nombre Z, appelé numéro atomique, définit les propriétés chimiques de l'atome et c'est le chimiste russe Dimitri Mendeleïev qui eut l'idée de ranger les éléments chimiques dans un tableau de classification publié en 1869. Z = 1 représente l'hydrogène, Z=8 l'oxygène, Z=92 l'uranium, etc. On connaît aujourd'hui 118 éléments chimiques.

Les isotopes

Représentation des isotopes de l'hydrogène. © Yuvanoe/CEA

Un élément chimique est formé d'atomes ayant le même nombre de protons Z. Ils ont donc tous le même nombre d'électrons et les mêmes propriétés chimiques. Mais ils peuvent différer par leur nombre N de neutrons : ce sont les isotopes de l'élément en question.
Chaque isotope d'un élément est caractérisé par son nombre de protons et neutrons dans son noyau. Ce nombre de masse est toujours noté en exposant à gauche du symbole chimique de l'élément : les isotopes du carbone, par exemple, possèdent tous 6 protons et le plus souvent, 6, 7 ou 8 neutrons. On parle alors du carbone 12 (12C), du carbone 13 (13C) ou du carbone 14 (14C). Parmi ces 3 isotopes du carbone, seul le 14C est radioactif, les 2 autres sont stables. On connaît aujourd'hui près de 2 800 isotopes dont 2 500 environ sont radioactifs.

Les différentes formes
de radioactivité

Près de 2 500 atomes, dont la plupart ont été fabriqués par l'homme, sont radioactifs.
On distingue trois formes de radioactivité, correspondant aux trois types de rayonnements émis lors des transformations des noyaux instables.

Le rayonnement " alpha " [α] est constitué de particules composées de deux protons et de deux neutrons (noyau d'hélium). Il concerne les noyaux lourds : l'uranium 238, par exemple, se transforme en thorium 234. Ce rayonnement, qui perd très vite son énergie, a un pouvoir de pénétration très faible. Il ne parcourt que quelques centimètres dans l'air. Une feuille de papier ou les couches superficielles de la peau l'arrêtent.

Le rayonnement " bêta " [β] provient de la transformation dans le noyau soit d'un neutron en proton (il y a alors émission d'un électron β-) soit d'un proton en neutron (il y a émission d'un positon, " électron " de charge positive β+ ). Ce rayonnement ne parcourt que quelques mètres dans l'air. Il est stoppé par une vitre ou une feuille d'aluminium.

Le rayonnement " gamma " [γ] est un rayonnement électromagnétique, comme la lumière visible ou les rayons X, mais plus énergétique. Il est émis le plus souvent par des noyaux possédant encore un excès d'énergie à évacuer après une désintégration α ou β. Son parcours dans l'air est de plusieurs centaines de mètres et de fortes épaisseurs de plomb ou de béton sont nécessaires pour l'atténuer.

Les rayonnements radioactifs, comme tous les rayonnements, transportent de l'énergie et interagissent avec la matière, notamment le vivant. Certains rayonnements (alpha, bêta, gamma et X) sont dit " ionisants " parce qu'ils transportent une grande quantité d'énergie qui provoque un changement de la charge électrique des atomes qu'ils traversent (phénomène d'ionisation). Ils peuvent être, dans certaines conditions d'exposition, dangereux pour les êtres vivants et il faut savoir s'en protéger.

La radioactivité diminue
dans le temps

Chaque radionucléide est caractérisé par sa période radioactive, temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs, initialement présents, a disparu par transformation spontanée. Celle-ci peut varier de quelques secondes à quelques heures voire quelques centaines ou milliards d'années.

Par exemple :

la période radioactive de l'uranium-238 est de 4,5 milliards d'années ;

la période radioactive de l'uranium-235 est de 710 millions d'années ;

la période radioactive du césium-137 est de 30 ans ;

la période radioactive des atomes d'iode-131 est de 8 jours ;

la période radioactive des atomes de fluor-18 est de 110 minutes.

La radioactivité
au cœur de nombreux enjeux
et applications

Les recherches sur la radioactivité ont contribué à la connaissance de la matière, permis de reconstituer l'histoire de l'Univers et de la Terre et procuré des marqueurs, outils et instruments irremplaçables en biologie, médecine et géologie. Les propriétés de la radioactivité et les nombreuses applications qui en ont découlé sont de plus en plus présentes dans notre vie quotidienne : l'énergie nucléaire est une énergie extrêmement concentrée, et sa transformation aboutit notamment à la production d'électricité ; les radioéléments naturels sont d'excellents chronomètres : la décroissance radioactive et la mesure de l'activité fournissent ainsi des " horloges " destinées à dater des événements plus ou moins anciens ; l'extrême sensibilité de la mesure des rayonnements offre la possibilité de suivre à la trace des marqueurs, et de dévoiler aussi bien les mécanismes du corps humain que ceux du système solaire et de la Terre ; les propriétés des rayonnements sont également précieuses pour aider au diagnostic, grâce aux techniques d'imagerie, et traiter certaines maladies, comme le cancer.

L'évolution des connaissances et des applications depuis plus de cent ans est loin d'être achevée. En recherche fondamentale, la physique nucléaire notamment n'a pas fini de livrer tous ses secrets.

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La radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel à Paris. Elle est devenue depuis un sujet d'étude et de recherche important dont les applications sont de plus en plus présentes dans notre quotidien.

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Crédit CEA

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[Comment ça marche ?] La datation par le carbone 14

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1-1 - Un niveau d'organisation : les éléments chimiques

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L'origine des éléments chimiques. Episode 3 : Des étoiles à la Terre

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Exemples et différence avec matériau amorphe comme le verre

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Entrée pour les non spé PC

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Pourquoi dit-on que nous sommes faits de poussières d’étoiles ? | Futura

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Maths : Représentation graphique d'une fonction

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Maths : Représentation graphique d'une fonction

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Pour aller + loin : Synthèse / élements chimiques

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Pour aller + loin : Synthèse / élements chimiques

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Approfondissement pour les Spé PC

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Physique-chimie - Première - LHM01-01 Abondance et origine des éléments

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Rappels sur représentation de la matière et interprétation de graphes de proportions

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Rappels sur représentation de la matière et interprétation de graphes de proportions

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1ère Enseignement Scientifique - T1-CH-1 - Les éléments dans l'univers

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exemples de graphes entre Univers / Terre / corps humain

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Les éléments chimiques (Enseignement scientifique 1re)

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Pour non-spé PC

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Les éléments chimiques - Cours condensé d'enseignement scientifique #1

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Approfondissement pour les Spé-PC

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matière ＆ univers:physique des particules

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Comment s'est créé l'Univers ? D'où vient la matière qui nous entoure ? Qu'est-ce que la matière noire ? Réponses en vidéo.

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Les éléments chimiques : Du big bang aux étoiles

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Les éléments chimiques : Du big bang aux étoiles

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Episode 1 : Du Big Bang à nous : 2 ' H & He

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L'origine des éléments chimiques. Episode 1 : Du Big Bang à nous

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3' de 26'12" à 29'15"

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Au-delà de l'Atome: INCROYABLE Plongée au Cœur de la Matière vers l'Infiniment Petit | Documentaire

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Les éléments chimiques : au coeur des étoiles : Fusion & nucléosynthèse

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Les éléments chimiques : au coeur des étoiles : Fusion & nucléosynthèse

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L'origine des éléments chimiques - Episode 2 : Au coeur des étoiles

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La Vie d'une étoile : une lutte continue

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La Vie d'une étoile : une lutte continue

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Approfondissement pour les spé-PC

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L'ORIGINE DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES - Partie 1

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synthèse complète pour les Spé-PC

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matière ＆ univers:physique des particules

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Les protons, les neutrons, les atomes, d'où vient la matière ? Découvrez en animation-vidéo comment la matière est apparue il y a environ 13,7 milliards d'années.

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Approche + pointue pour les Spé PC

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Poussières d'étoiles , l'origine de notre matière

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optionnel, pour approfondissement

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Vidéo structurée d'1h sur le projet ITER

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Ressources scientifiques pour l'enseignement des sciences physiques.

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Testez vos connaissances sur la radioactivité de manière ludique.

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Définition
Origine des éléments radioactifs
Applications

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Radioactivité : Décroissance radioactive et demi-vie. 1ère enseignement scientifique physique chimie

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explications approfondies sur le cycle du carbone et pourquoi on retrouve 14C chez les etres vivants

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A chaque fois qu'il est question de datation de roches ou d'autres matériaux anciens, on invoque inévitablement l'incontournable Carbone-14 ( ¹⁴C).
Le ¹⁴C est en effet une méthode très utile pour la datation de certains matériaux géologiques, et particulièrement de matériaux archéologiques.

La méthode utilise la réaction de désintégration du carbone-14 en azote-14.
Il faut savoir que le carbone commun dans la nature a une masse atomique de 12 ( ¹²C). Il se combine à l'oxygène atmosphérique (CO ₂) pour former du CO 2 dans lequel le carbone a une masse atomique de 12, soit le ¹²CO ₂.
Mais en plus du ¹²C, il y a aussi, en bien plus faible quantité, du carbone de masse 13 ( ¹³C) et du carbone de masse 14 ( ¹⁴C) ; ces trois formes, de masse atomique différente pour un même élément, sont ce qu'on appelle des isotopes.
Le ¹²C et le ¹³C sont des isotopes stables, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas radioactifs, tandis que le ¹⁴C est un isotope radioactif ; c'est lui qu'on utilise pour les datations.

Pour bien comprendre la méthode, il nous faut voir d'où vient le ¹⁴C et comment ce ¹⁴C est fixé, avec du ¹² C, par les organismes vivants, végétaux et animaux.

Le bombardement des gaz de la haute atmosphère par les rayons cosmiques fait que l'azote, de masse atomique 14 (¹⁴N) se transforme en ¹⁴C qui se combine à l'oxygène libre (O₂) pour former du CO₂, mais un CO2 particulier où le carbone est de masse atomique 14, soit le ¹⁴CO₂.
Ce ¹⁴CO ₂ se mélange au CO ₂ qui vient des autres sources, comme des volcans et de l'oxydation des matières organiques ou, aujourd'hui, de la combustion des hydrocarbures.
Le CO ₂ qui provient du cycle photosynthèse-oxydation des matières organiques est aussi particulier. En effet, la photosynthèse consomme du CO2 atmosphérique, c'est-à-dire un CO2 qui contient en partie du ¹²C et en partie du ¹⁴C. C'est donc dire que la matière organique des végétaux et des animaux (qui consomment les végétaux) contiendra une certaine quantité de ¹⁴C. C'est ce ¹⁴ C qui est utilisé pour les datations.

Au départ donc, toute matière organique vivante (végétaux ou animaux) contient du ¹²C et du ¹⁴C (ainsi qu'une faible quantité de ¹³C). La proportion entre ¹⁴C et ¹²C dans les tissus organiques et le squelette métabolisés par l'organisme demeure la même tout au long de la vie de l'organisme, un rapport correspondant à celui qui se trouve dans le CO 2 atmosphérique.
En pratique, on peut donc dire que l'horloge démarre avec la mort de l'organisme ; la proportion commence alors à changer à cause de la désintégration du ¹⁴C et du fait que le ¹²C demeure stable.
Le produit de la désintégration du ¹⁴ C, l'azote 14, est un gaz qui s'échappe dans la nature.

En pratique, puisque le ¹²C est stable, on mesure le rapport entre, ¹⁴C et ¹²C. Connaissant le rapport qui existe dans la nature entre ¹⁴C et ¹²C, ainsi que la constante de désintégration, on peut comme dans les autres méthodes, calculer le temps qui s'est écoulé depuis la mort de l'organisme qui a fixé le carbone dans ses tissus ou son squelette. Par conséquent, l'âge que l'on obtient avec la méthode du ¹⁴ C, c'est l'âge de la mort de l'organisme (du bois, des coquillages, de la tourbe, des tissus de lin, cotton, laine, etc...).

Mais la proportion ¹⁴C/ ¹²C est-elle vraiment demeurée constante à travers les temps géologiques ?
Dans la méthode de datation par ¹⁴C, on prend pour acquis que la proportion ¹⁴C/¹²C n'a pas changé avec le temps géologique, ... ce qui n'est pas vrai. En effet, on sait aujourd'hui que cette proportion a varié avec le temps. On le sait par exemple en comparant l'âge obtenu à partir du ¹⁴C et l'âge obtenu en comptant les anneaux des arbres (dendrochronologie) ou encore les varves (dépôts saisonniers) dans les lacs. On sait que la production de ¹⁴C a été en général plus élevée dans le passé, ce qui implique que les âges non corrigés sont en fait plus jeunes que ce qu'ils devraient être en réalité.
C'est pourquoi, il faut apporter des corrections. Ainsi, pour la période entre -20 et -40 Ka, on apporte une correction de l'ordre de 10% (on vieilli les âges de 2 à 3 Ka) ; ce pourcentage diminue pour des âges plus récents. Même avec un facteur aussi grand que 10% (ce qui n'est pas le cas), le suaire de Thurin ne pourrait être vieilli de ...700 ans ! (voir plus bas).

La croyance populaire est à l'effet qu'on puisse dater n'importe quoi avec le ¹⁴C. Il faut bien voir, et c'est très important, que cette méthode ne s'applique qu'aux matériaux qui ont déjà été vivants, comme du bois, des coquilles, du lin, etc. Inutile de penser dater des outils de métal ou des pointes de flèches en silex (SiO ₂) avec cette méthode.

Il y a une autre limitation très importante à la méthode : le temps impliqué. Avec les méthodes de l'uranium-plomb, du rubidium-strontium ou même du potassium-argon (voir plus-haut), la demie-vie s'exprime en milliards d'années. Avec le ¹⁴ C, on parle d'une demie-vie de 5730 ans. Le schéma qui suit montre l'implication d'une demie-vie aussi courte.

Au temps 0, on a 100% de ¹⁴C (barre rose). Après 5730 ans (la demie-vie de la désintégration), la moitié du ¹⁴C est désintégrée. Après un autre 5730 ans (11,460 ans au total), la moitié de la moitié est désintégrée ; il reste le quart du ¹⁴C originel. Après un autre 5730 ans, il en reste 1/8, ... et ainsi de suite. Après 74,490 ans, il reste 1/8192 (= 0,000122) du ¹⁴ C originelle.

C'est peu, d'autant plus qu'au départ, la quantité de ¹⁴C par rapport au ¹²C était déjà faible. Analyser une si faible quantité devient très difficile. En pratique donc, le ¹⁴C est utile pour dater des objets qui ne sont pas plus vieux que 75 000 ans. On parle ici non plus en milliards, ni même en millions d'années, mais bien en quelques dizaines de milliers d'années seulement.

Le ¹⁴C une méthode très utile en archéologie et en histoire. Elle a été utile pour clore certains débats : le suaire de Turin qui aurait servi à ensevelir le corps du Christ a été daté en 1988, par trois équipes indépendantes, dans une fourchette d'âge entre 1260 et 1390 ans, donc un suaire fabriqué au Moyen-Age. Le bois du soi-disant trône de St-Pierre a aussi été daté du Moyen-Age.
La méthode est aussi utilisée en géologie des dépôts superficiels qui souvent sont plus jeunes que la limite de 75 000 ans. Les dépôts de la Mer Champlain par exemple qui n'ont que quelques 9 000 à 12 000 ans d'âge sont datés au ¹⁴ C, en utilisant les coquilles et le bois fossile de ces dépôts.

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A chaque fois qu'il est question de datation de roches ou d'autres matériaux anciens, on invoque inévitablement l'incontournable Carbone-14 (14C). Le 14C est en effet une méthode très utile pour...

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Carbone 14 : réactions nucléaires et datation

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Carbone 14 : réactions nucléaires et datation

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Planches animées sur genialy

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en Planches interactives

Carbone 14 dans les êtres vivants & datation

cliquer chaque bandeau grispour accéder à la planche en lien

RAyons cosmiques & neutrons

Création du CarbonE 14

datation grâce au C14

DésintégrationC14 --> N14

IntégrationC14 dans C02

Absorbtionpar le vivant

Synthèse

Electron : Charge : q= -e = -1.6.10-19 C (C pour Coulomb) Diamètre : non mesurable Masse : négligeable devant celle des nucléons (environ 1800 fois moins) m e- = 9,1*10-31kg

Proton : Charge : q= +e = +1.6*10-19 C (C pour Coulomb) Diamètre : environ 10-15 m soit 100 000 fois + petit que l'atome Masse : m p+ = 1,7*10-27kg (1800 fois plus qu'un électron, quasi identique au neutron)

Neutron : Charge : q= 0 Diamètre : environ 10-31 m soit 100 000 fois + petit que l'atome Masse : m N° = 1,7*10-27kg (1800 fois plus qu'un électron, quasi identique au proton)

Création du carbone 14

1 - Des photons Gamma très énergétiques, venus du cosmos, pénètrent la haute atmosphère terrestre

2- Ils arrachent des neutrons à des noyayx d'atomes et molécules dans l'air

3- Ces neutrons vont aller heurter d'autres atomes et déclencher d'autres réactions

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Etape suivante

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Création du carbone 14

Certains neutrons heurtent des molécules d'azote qui éjectent un proton

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Création du carbone 14

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Il y a eu transmutationde 147N en 146Cisotope instable du carbone

L'atome N passe de 7 protons à 6 et devient du carbone C.Il avait 7 Neutrons et en a désormais 8.

Etape suivante

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Intégration du carbone 14 au CO2

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Le Carbone 14 créé va s'oxyder dans l'atmosphère et former du CO2

Ce 14C bien qu'instable se retrouve donc dans tous les sucres et molécules carbonées sur Terre...

Ce Co2 va rentrer dans le cycle du carbone des organismes vivants dans une proportion de 1 atome de 14C pour 1012 de 14C

Etape suivante

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Le Carbone 14C instable se désintègre lentement (1/2 vie de 5638 ans).Sa proportion dans les tissus baisse à la mort du sujet

Intégration aux être vivants

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1 neutron va se transformer en proton + électron éjeté du noyau vers le nuage électronique

Etape suivante

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Radioactivité décroissante du carbone 14

L'atome C avait 8 Neutrons et en a désormais 7.L'atome 14C passe de 6 protons à 7 et redevient de l'azote 147N.

Il y a eu transmutationde 146C en 147Nisotope stable de l'azote&émission de photons Gamma

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Décroissance radioactive au fil temps

L'atome 146C a une demi vie de 5730 ans environDans cette période, sa masse restante est divisée par 2.La masse disparue est devenue de l'azote 147N non radioactifLa datation ne peut donc se faire au delà de 50 000 ans.

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Synthèse

Retrouvez vidéos&cours ici

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Padlet 1ere ES

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Comprendre les réactions liées à la création é désintégration du Carbone 14 atmosphé&rique et son utilisé pour la datation

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Frise de l'enchainement des transformations

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Le carbone 14, est radioactif ; sa radioactivité décroît au fil du temps à un rythme parfaitement régulier. Les scientifiques s’en servent comme « chronomètre » pour estimer l’âge d’objets très variés : œuvres d’art, roches, fossiles…

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Pour explorer ces concepts en profondeur

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Défaut de masse et énergie de liaison (vidéo) | Khan Academy

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Apprenez gratuitement les Mathématiques, l’Art, la Programmation, l’Economie, la Physique, la Chimie, la Biologie, la Médecine, la Finance, l’Histoire et plus encore. Khan Academy est une ONG qui a pour mission d’offrir un enseignement gratuit et de qualité, pour tout le monde, partout.

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Vidéo : décroissance radioactive et datation C14

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Vidéo : décroissance radioactive et datation C14

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Masse volumique d'un solide cristallin (Les cristaux) | 1ère enseignement scientifique

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Les Cristaux : Solide cristallin et maille cristalline | Enseignement scientifique 1ère

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Compacité Cristallographie | 1ère enseignement scientifique (Les cristaux) physique chimie

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Les cristaux : Compter les atomes dans une maille: Multiplicité Z | 1ère enseignement scientifique

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Pour activité 2 à la maison de modélisation

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Animation 3D pour découvrir les notions élémentaires de cristallographie (mailles cubique simple, cubique centrée, cubique faces centrées).