Nature aléatoire de la désintégration radioactive

T'es-tu déjà demandé d'où viennent les radiations et quelles sont les causes de leur création ? La plupart des atomes sont radioactifs à un certain degré, ce qui signifie qu'ils émettent des radiations. C'est ce qu'on appelle la désintégration radioactive.

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Étant donné un atome, la probabilité de désintégration au cours de la seconde suivante est-elle fixe ou aléatoire ?

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Pour un atome donné, la probabilité de désintégration au cours de la prochaine heure est-elle plus grande ou plus petite qu'au cours de la prochaine seconde ?

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Si la probabilité de désintégration au cours de la prochaine seconde est de 10 %, quelle est la probabilité de désintégration au cours de la prochaine minute ?

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Décris ce que nous entendons par "nature aléatoire de la désintégration radioactive".

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Supposons que nous commencions avec 1000 atomes. Combien reste-t-il d'atomes originaux après une demi-vie de ces atomes ?

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Supposons que nous commencions avec 800 atomes. Combien reste-t-il d'atomes originaux après deux demi-vies de ces atomes ?

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Est-il possible qu'après une demi-vie, il nous reste autant d'atomes qu'au départ ?

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Est-il possible que nous n'ayons plus d'atomes d'origine après une demi-vie, alors que nous en avions 10 au départ ?

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Un atome ne s'est pas désintégré pendant une période de 3 demi-vies. Sa probabilité de se désintégrer au cours de la prochaine seconde est-elle plus grande qu'elle ne l'était il y a 3 demi-vies ?

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Si nous commençons avec exactement 2 milliards d'atomes, que pouvons-nous dire de la probabilité qu'il nous reste exactement 1 milliard d'atomes après une demi-vie ?

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Si nous avons deux atomes, pouvons-nous dire quel atome se décomposera en premier ?

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    La désintégration radioactive est un processus aléatoire, ce qui signifie qu'il est impossible de prédire quand un atome émettra des radiations. Cependant, il existe des probabilités connues pour la désintégration radioactive d'atomes spécifiques qui peuvent définir le taux de désintégration d'un groupe de ces atomes. Cet article traite de la nature aléatoire de la désintégration radioactive.

    Définition de la nature aléatoire de la désintégration radioactive

    La désintégration radioactive est le processus par lequel les atomes émettent un rayonnement pour atteindre une autre configuration. Ce rayonnement peut se présenter sous la forme de particules alpha, de particules bêta, de rayons gamma ou de particules de neutrons. Lors de l'émission d'un rayonnement, un atome se modifie selon les règles des équations nucléaires. Ce qui reste après l'émission aura un niveau de radioactivité différent.

    Les atomes émettent des radiations s'ils sont intrinsèquement instables : pour tout isotope spécifique à un certain niveau d'énergie, chaque seconde, il existe une certaine probabilitépqu'il émette une particule alpha. Il en va de même pour les autres formes de rayonnement. Il s'agit de probabilités différentes, et certaines de ces probabilités peuvent être nulles, ce qui signifie qu'un atome particulier ne subira jamais un certain type de désintégration radioactive. Ces probabilités sont entièrement déterminées, mais le processus d'émission proprement dit est aléatoire : nous ne connaissons que la probabilité.

    C'est comme si tu lançais un dé (juste, cubique) toutes les secondes. Tu sais que la probabilité d'obtenir un 6 est de 1/6 à chaque lancer, mais le processus réel de création du résultat des lancers est aléatoire. Tu ne sais pas si tu obtiendras un 6 en 6 ou 20 lancers. Cependant, avec un grand échantillon de, par exemple, 6 milliards de lancers, tu sais que tu lanceras environ 1 milliard de six.

    Nature aléatoire de la désintégration radioactive deux dés StudySmarterDeux dés.

    De la même manière, nous ne pouvons jamais savoir quand un atome instable émettra, par exemple, un rayonnement bêta, mais sur des échelles de temps de plus en plus longues, nous avons une idée de plus en plus précise de la quantité de rayonnement bêta qui proviendra d'un matériau, c'est-à-dire du nombre d'atomes qui auront émis un rayonnement bêta.

    Par nature aléatoire de la désintégration radioactive, nous entendons que pour chaque atome, il existe des probabilités connues qu'il émette un rayonnement (et donc qu'il se désintègre de manière radioactive) dans la seconde qui suit. Néanmoins, le fait que nous ne disposions que d'une probabilité fait de ce processus un processus aléatoire. Nous ne pouvons jamais déterminer à l'avance si un atome va se désintégrer dans la seconde qui suit ou non.

    Les demi-vies et la nature aléatoire de la désintégration radioactive

    Si nous avons beaucoup d'atomes identiques dans un échantillon (par exemple, dans un morceau de matière) qui ont tous une certaine probabilité par seconde de se désintégrer, alors tu peux imaginer qu'à un moment donné, il ne reste plus que la moitié du nombre original d'atomes dans l'échantillon. Plus la probabilité de désintégration par seconde est grande, moins il faut de temps pour qu'il n'en reste plus que la moitié.

    La demi-vie d'un atome (un certain isotope à un certain niveau d'énergie) est le temps prévu pour qu'un très grand nombre de ces atomes se désintègrent jusqu'à ce qu'il ne reste plus que la moitié du nombre initial de ces atomes.

    Une demi-vie courte indique donc qu'un atome est très radioactif : la probabilité qu'il se désintègre dans la seconde qui suit est élevée.

    Supposons que nous ayons un atome dont la probabilité de désintégration au cours de la prochaine seconde est de1/2. Nous prenons maintenant plusieurs de ces atomes et attendons une seconde. Après cette seconde, environ la moitié des atomes se sont désintégrés (c'est ce que signifie la probabilité de1/2signifie). Nous en concluons que la demi-vie de ce type d'atome est d'une seconde.

    La nature aléatoire de la désintégration radioactive nous indique maintenant qu'après une demi-vie, il n' est pas garanti qu'il reste exactement la moitié des atomes d'origine, mais qu'il s'agit simplement du résultat le plus probable et moyen. Tout autre nombre d'atomes restants a une probabilité plus faible de se produire. Cependant, les chances qu'il reste exactement la moitié des atomes d'un nombre initialement très élevé d'atomes sont toujours minimes.

    Exemples de demi-vies

    Comme chaque atome radioactif a une demi-vie que nous pouvons mesurer, nous pouvons donner quelques exemples et montrer que les demi-vies de différents isotopes peuvent différer sur des échelles de temps très différentes. La demi-vie d'un atome de carbone 14 est d'environ 5700 ans, alors que celle d'un atome d'uranium 235 est d'environ 700 millions d'années ! Cela signifie que le carbone 14 est plus radioactif que l'uranium 235, car les isotopes du carbone 14 ont une probabilité plus élevée de se désintégrer que l'uranium 235 dans la seconde qui suit. À l'autre extrémité du spectre, le copernicium-277 a une demi-vie d'un peu moins d'une milliseconde, ce qui fait que la durée de vie moyenne d'un atome de copernicium-277 est très courte : cet isotope est hautement radioactif.

    En général, les éléments plus massifs ont tendance à être plus radioactifs car leurs noyaux plus gros sont plus susceptibles d'avoir un excès d'énergie interne instable. C'est pourquoi le tableau périodique des éléments n'est connu que jusqu'à une certaine taille de noyau : les atomes et les isotopes dont le noyau est plus gros sont trop instables pour que nous puissions facilement les "voir". La probabilité qu'un atome aussi lourd se désintègre dans la microseconde suivante est trop élevée pour que nous puissions bien étudier ces atomes.

    Causes de la nature aléatoire de la désintégration radioactive

    Cela pourrait être décevant, mais nous devrons accepter que chaque atome a simplement une probabilité intrinsèque de se désintégrer chaque seconde. Pour les isotopes stables, et donc non radioactifs, cette probabilité est nulle. Pour les isotopes radioactifs, cette probabilité peut être mesurée et est connue pour de nombreux isotopes. Les facteurs à l'origine de cette probabilité exacte, et donc les causes réelles du caractère aléatoire de la désintégration radioactive, dépassent largement le cadre de cet article.

    Tu peux comparer un atome radioactif à un crayon instable. Il se trouve dans un état de haute énergie et veut tomber dans un état de basse énergie. Il suffirait d'une minuscule rafale pour faire tomber le crayon. Pourtant, nous ne savons rien des conditions exactes du vent autour du crayon, seulement du temps général (qui peut être comparé à la probabilité de la désintégration radioactive). À nos yeux, le crayon a tendance à tomber, mais nous ne savons pas quand le coup de pouce décisif se produira. Nous pouvons seulement dire qu'en cas de tempête, le crayon tombera probablement plus tôt que par temps calme, tout comme les atomes ayant une demi-vie plus petite se décomposeront probablement plus tôt que les atomes ayant une demi-vie plus grande.

    Effets de la nature aléatoire de la désintégration radioactive

    La nature aléatoire de la désintégration radioactive stipule que certains atomes d'un échantillon survivent tandis que d'autres atomes du même type se désintègrent. Il ne s'agit pas d'une distinction basée sur une quelconque différence de propriétés entre les atomes, mais purement basée sur des probabilités. Cela signifie également que seule une partie (aléatoire) des atomes identiques se sera désintégrée à un moment donné.

    La nature aléatoire de la désintégration radioactive nous permet également de calculer les probabilités de survie d'un atome après un temps donné. Par exemple, après sa demi-vie, il y a une50%de chance qu'un atome d'un échantillon ne se soit pas encore désintégré. Après 8 demi-vies, il y a une0.4%probabilité qu'un atome soit encore intact. Ou, de manière équivalente, après 8 demi-vies, le résultat le plus probable est que0.4%des atomes d'origine subsistent. La nature aléatoire de la désintégration nous indique maintenant qu'il n'y a aucun moyen de savoir exactement quels atomes subsistent.

    Enfin, le célèbre graphique exponentiel qui illustre la décroissance exponentielle régulière des atomes montre que le nombre d'isotopes d'origine est à peu près divisé par deux après chaque demi-vie, puis trace une ligne régulière à travers les points de données. Cette décroissance exponentielle est correcte à grande échelle (voir l'article sur les demi-vies pour en savoir plus), mais à plus petite échelle, ce graphique sera plus "sauteux" : dans certains intervalles, il peut n'y avoir aucune décroissance, et dans d'autres intervalles, il peut y avoir beaucoup d'atomes qui se décomposent, purement par hasard. Le graphique ressemblera davantage à celui illustré ci-dessous.

    Nature aléatoire de la désintégration radioactive Graphique exponentiel avec caractère aléatoire StudySmarter

    Le graphique exponentiel familier avec un petit nombre d'atomes, montrant les effets du caractère aléatoire de la désintégration, StudySmarter Originals.

    Exemples et expériences sur la nature aléatoire de la désintégration radioactive

    Une bonne expérience pour mesurer les radiations émises par les atomes peut être réalisée à l'aide d'un compteur Geiger-Müller, un appareil qui mesure les radiations alpha, bêta et gamma. S'il mesure un produit de la désintégration radioactive (particule ou onde), il l'enregistrera comme un événement.

    Si tu tiens une substance radioactive à proximité d'un compteur Geiger-Müller, celui-ci enregistrera des événements à des intervalles aléatoires : il n'y aura pas de modèle dans les intervalles entre les événements mesurés. Cet enregistrement d'événements aléatoires sans modèle est la preuve expérimentale que la désintégration radioactive est de nature aléatoire. La fréquence moyenne des événements diminuera avec le temps, car de moins en moins d'atomes survivent pour produire le rayonnement et provoquer un autre événement.

    Considère deux échantillons radioactifs, tous deux d'une masse de 1 kilogramme. Le premier échantillon contient des isotopes radioactifs à demi-vie courte, et l'autre est composé d'isotopes radioactifs à demi-vie plus longue. Dans l'échantillon à demi-vie courte, de nombreux événements se produiront en succession rapide, mais dans l'échantillon à demi-vie longue, les pauses entre les événements seront plus longues, car il faudra plus de temps pour que les événements se produisent. Cependant, les événements des deux échantillons seront espacés au hasard et donc totalement imprévisibles.

    Caractère aléatoire de la désintégration radioactive - Principaux enseignements

    • La désintégration radioactive est le processus par lequel les atomes émettent des radiations.
    • Les radiations peuvent être définies comme des particules alpha, des particules bêta, des rayons gamma ou des neutrons provenant des atomes.
    • Après avoir émis des radiations, l'atome se transforme soit en un autre type d'atome, soit en un autre isotope, soit en un autre niveau d'énergie.
    • Pour un atome spécifique (un certain isotope à un certain niveau d'énergie), chaque seconde, il y a une probabilitépqu'il se désintègre.
    • La désintégration radioactive est un processus aléatoire, nous ne pouvons jamais déterminer à l'avance si un atome se désintégrera dans la prochaine seconde ou non ; nous connaissons seulement la probabilité de désintégration.
    • Après une demi-vie, il n'est pas garanti qu'il reste exactement la moitié des atomes d'origine, mais que c'est juste le résultat le plus probable, et le résultat moyen.
    • Après 8 demi-vies, un atome peut encore être intact, et la probabilité de ce scénario est de0.4%.
    • Les intervalles aléatoires entre les événements qu'enregistre un compteur Geiger-Müller sont la preuve expérimentale que la désintégration radioactive est aléatoire.
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    Questions fréquemment posées en Nature aléatoire de la désintégration radioactive
    Qu'est-ce que la désintégration radioactive en physique?
    La désintégration radioactive est le processus par lequel un noyau instable perd de l'énergie en émettant des radiations.
    Pourquoi appelle-t-on la désintégration radioactive aléatoire?
    On parle de nature aléatoire car il est impossible de prédire quand un noyau spécifique se désintégrera exactement.
    Quels sont les types de radiations dans la désintégration radioactive?
    Les types de radiations sont alpha, beta, et gamma, chacune ayant des caractéristiques différentes.
    Comment mesure-t-on la désintégration radioactive?
    On mesure la désintégration radioactive en utilisant des compteurs Geiger ou des détecteurs de scintillation.

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