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Comment interpréter l'étrange comportement d'un échantillon de matière radioactive ?

Expérience : Etude de la décroissance radioactive du radon 220 à partir du film " radondivx5 "

Pour télécharger le film radondivx5 (16,5 Mo) cliquer droit sur l'icone "Enregistrer la cible sous"

Description du film :

Durée du film : 3 min

- première partie (1 min) : préparation du matériel
- deuxième partie (1 min 20 s) : décroissance radioactive du radon 220
- troisième partie (40 s) : mise en évidence du caractère aléatoire de la désintégration

Ordre du TP :

A. Etude de la préparation du matériel décrit dans le film
B. Mise en évidence du caractère aléatoire de la désintégration
C. Décroissance radioactive du radon 220

Visionner le film et répondez aux questions

A. Première partie : préparation du matériel

Matériel :

- la fiole scintillante : fiole dans laquelle on effectue le comptage de radioactivité.
- Le générateur de radon : fiole contenant du thorium 232 qui par désintégration successives donne du radium 224 qui par désintégration a donne du radon 220.
- Pompe à vide et manomètre.
- Tuyau.
- Photomultiplicateur : dispositif dans lequel on place la fiole scintillante et qui permet le comptage des désintégrations.

Questions discussion :

- Pourquoi faire le vide dans la fiole scintillante ?
- Pourquoi le contenu du générateur de radon se transfert-il naturellement dans la fiole scintillante ?
- Etude de la chaîne de désintégration aboutissant à la formation de radon 220.

A partir des documents fournis page suivante, répondez aux questions suivantes :

1. Rappeler les lois de conservation lors des réactions nucléaires.
2. Ecrire l'équation de désintégration du thorium 232 ( )
3. Ecrire l'équation de désintégration du radium 228 ( ). S'agit-il d'une désintégration b- ou b+ ?
4. Ecrire l'équation de désintégration de l'actinium 228. S'agit-il d'une désintégration b- ou b+ ?
5. Que signifie l'astérisque * sur l'actinium ?
6. Ecrire l'équation de désintégration du thorium 228.
7. Ecrire l'équation de désintégration du radium 224.
8. Quelle est la nature de la désintégration du radon 220 en polonium 216 ?

B. Deuxième partie : Mise en évidence du caractère aléatoire de la désintégration.

B1. Caractère aléatoire du lancé de dé.

Vous allez effectuer plusieurs centaines de lancés, pour cela vous allez utiliser un logiciel de lancé de dés.

Télécharger gratuitement ce logiciel :

http://www.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/telechargement/phyter/radioactivite/lancerdedes/index.htm

cliquer sur " caractère aléatoire du lancé de dés ".

Questions discussion :

a. lancer le dé, 30 fois. Que-peut-on conclure des résultats obtenus ?
b. cliquer sur nombre dés et choisir " passer à 100 dés ". Tous les dés affichent-ils le même résultats ?
c. cliquer sur nombre dés et choisir " passer au diagramme en bâtons ". Effectuer plusieurs fois 200 lancés afin d'obtenir un total de 4600 lancés. Noter la moyenne de la fréquence de sortie d'un 6.
Cette valeur est-elle compatible avec la probabilité de sortie d'un 6 ?
d. Quel est l'intérêt d'effectuer autant de lancés ?

B2. Comparaison avec la désintégration du radon.

Observer la courbe obtenue dans la troisième partie du film.

Le comptage s'effectue sur une durée très courte.

Il ne montre pas la variation du nombre de noyaux restants dans l'échantillon, mais comment les noyaux se désintègrent.

Question discussion :

- Quelles réflexions vous suggèrent la comparaison des graphes obtenus pour les séries de comptage de la désintégration du radon et pour les séries de lancés de dés ?
- Proposer une hypothèse pour de qui concerne le caractère de la désintégration radioactive ?

C. Décroissance radioactive du radon 220.

Objectif : Déterminer comment évolue la population de noyaux au cours du temps ?

C1. Lancés de dés.

- Ouvrir le programme.
- Cliquer sur " décroissance du nombre de dés "

Principe : on lance 200 dés et on retire tous les dés affichant un " 6 "

Questions discussion :

- Effectuer si possible 30 lancés et noter dans un tableau le nombre de dés restants.
- Tracer sur une feuille de papier millimétré, le graphe représentant le nombre de dés restants en fonction du nombre de lancés.
- A quelle type de fonction mathématique vous fait penser ce graphe ?

C2. Désintégration du radon 220.

1. Analyse du graphe obtenu lors du comptage.

Le comptage s'effectue maintenant sur une durée plus longue, afin de visualiser la diminution du nombre de noyaux restants dans l'échantillon.

Chaque point représente le nombre de noyaux restants.

La courbe ci-dessous résulte d'un grand nombre de courbes obtenues dans la partie B.

On souhaite caractériser l'évolution de la population de noyaux radioactifs.

On peut proposer 3 hypothèses d'évolution différentes en faisant une comparaison avec une population humaine :

- Mort par épidémie, donc avec interaction entre les individus de la population restante.
- Mort avec vieillissement.
- Mort aléatoire sans vieillissement.

Question discussion :

A partir des résultats obtenus précédemment, indiquer quelle est l'hypothèse à retenir.

2. Loi de décroissance radioactive.

La loi de décroissance radioactive peut s'écrire : ou encore

- Ce résultat est-il en conformité avec celui obtenu lors du lancé de dés ?

On note t la constante de temps. (unité : seconde)

La relation peut s'écrire

- Déterminer graphiquement t et en déduire la valeur de l.

3. Demi-vie t1/2.

a- Définition

La demi-vie est la durée correspondant à la désintégration de la moitié des noyaux radioactifs initialement présents dans l'échantillon.

b- Détermination graphique.

Question discussion :

- Déterminer la demi-vie du radon 220 à partir de la courbe de décroissance radioactive du radon vue précédemment.