La radioactivité et la décroissance radioactive : cours de 1re

Dans les chapitres précédents, tu as rencontré des éléments chimiques, des cristaux et des cellules : autant de structures qui semblent stables et qui durent. Pourtant, la matière a aussi une histoire qui s'écrit à l'échelle des noyaux atomiques. Certains de ces noyaux ne restent pas éternellement tels qu'ils sont : ils se transforment au cours du temps. Ce phénomène porte un nom, la radioactivité, et il permet à la fois de comprendre l'âge de la matière et de dater des objets très anciens.

Dans ce cours, tu vas répondre à quatre questions. Qu'est-ce qu'un noyau instable ? Pourquoi est-il impossible de prévoir quand un noyau précis va se transformer, alors qu'on sait très bien prévoir ce que fera un échantillon entier ? Comment la demi-vie résume-t-elle cette évolution ? Et comment s'en sert-on pour dater un objet ?

Tu verras aussi un peu d'histoire : le programme cite Henri Becquerel, Marie Curie, la découverte de la radioactivité et celle du radium ¹. Savoir qui a découvert quoi, et dans quel ordre, aide à comprendre que ce phénomène a d'abord surpris les chercheurs.

Le mot « spontanément » compte. Rien ne vient pousser le noyau : ni chauffage, ni choc, ni réaction chimique ne sont nécessaires. Le noyau instable se transforme de lui-même. Au cours de cette transformation, il émet des particules de matière et de l'énergie ⁶. Après la désintégration, le noyau obtenu n'est plus le même : c'est un autre noyau, qui peut être stable ou, à son tour, instable ⁵.

Quand un noyau radioactif se transforme, il envoie vers l'extérieur ce qu'on appelle un rayonnement. Les particules de matière émises peuvent être des électrons, des noyaux d'hélium ou des neutrons, et l'émission s'accompagne aussi d'énergie, sous forme de photons et d'énergie cinétique ⁶.

Les rayons $\gamma$ ont des longueurs d'onde généralement plus courtes que celles des rayons X : elles sont de l'ordre de $10^{-11}$ m, voire plus petites ⁶. Tu retiens donc un classement simple : trois familles de désintégration ($\alpha$, $\beta^-$, $\beta^+$) et, souvent en plus, un rayonnement $\gamma$ très énergétique.

Cela semble gênant : comment faire de la physique avec du hasard ? La réponse vient du nombre. Un échantillon, même minuscule, contient un nombre gigantesque de noyaux. Comme pour un grand nombre de lancers de pièces, le hasard de chaque noyau s'efface dans la masse, et le comportement de l'ensemble devient régulier. On ne prédit pas le sort d'un noyau, mais on prédit très bien le nombre de noyaux qui restent.

La demi-vie dépend du type de noyau : c'est une caractéristique de l'isotope. Certains isotopes ont une demi-vie très longue, d'autres une demi-vie très courte. Comparer la décroissance de deux espèces radioactives revient à comparer leurs demi-vies : celle qui a la plus petite demi-vie décroît le plus vite ².

Le programme demande d'utiliser une représentation graphique pour déterminer une demi-vie ³. Le graphique représente le nombre de noyaux $N$ en fonction du temps $t$ : c'est une courbe qui descend, de moins en moins vite. On parle de décroissance exponentielle, dont le programme présente un modèle discret et une approche du modèle continu ³.

Cette formule marche quand le temps écoulé est un nombre entier de demi-vies : c'est le modèle discret. Pour traiter un temps quelconque, on prolonge la formule en remplaçant $n$ par $t/T$ : c'est l'idée du modèle continu, que le programme aborde en approche ³. On écrit alors :

$N(t) = N_0 \times \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T}$

Il existe un phénomène supplémentaire que tu rencontreras plus tard : un noyau fils peut lui-même être radioactif, et sa propre radioactivité s'ajoute alors à celle du noyau initial ⁵. Dans ce cours, on étudie un seul isotope instable à la fois, sans tenir compte de ses descendants.

Le programme demande d'utiliser une décroissance radioactive pour une datation, avec l'exemple du carbone 14 ³. Le principe est celui d'un sablier : si tu connais la quantité de noyaux radioactifs au départ, la demi-vie, et la quantité mesurée aujourd'hui, tu peux remonter au temps écoulé.

Pour le carbone 14, un être vivant échange sans cesse du carbone avec son milieu : la proportion de carbone 14 dans son organisme reste à peu près constante. À sa mort, ces échanges s'arrêtent et le carbone 14 n'est plus renouvelé : il décroît avec une demi-vie d'environ 5 700 ans. En comparant la proportion mesurée dans un reste (bois, os, tissu) à celle d'un organisme vivant, on obtient le temps écoulé depuis la mort. Cette méthode convient pour des âges allant jusqu'à quelques dizaines de milliers d'années.

La radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel ³⁶. Il travaillait sur la phosphorescence : il avait scellé une plaque photographique dans du papier noir et l'avait mise au contact de matériaux phosphorescents ⁶. Une observation antérieure existait pourtant : Abel Niépce de Saint-Victor avait déjà observé le phénomène en 1857 ⁶.

En 1898, Pierre et Marie Curie baptisent le phénomène « radioactivité » ³. C'est Marie Curie qui introduit les termes de radioactivité et de radioélément, au cours de ces travaux qui mènent aussi à la découverte du radium ⁶.