Le repaire des initiés




5
Abondance des éléments dans la croûte terrestre

Produire des représentations graphiques de l’abondance des éléments


La croûte terrestre est une enveloppe superficielle d’une épaisseur moyenne de 6 (océans) à 35 km (continents).

Numéro atomique Z 1 8 11 12 13 14 19 20 22 26
Symbole
H O Na Mg Al Si K Ca Ti Fe
Élément
Hydrogène Oxygène Sodium Magnésium Aluminium Silicium Potassium Calcium Titane Fer
Concentration (mg/kg)
1 400 461 000 28 300 20 900 81 300 277 000 26 000 36 300 4 400 50 000
Les éléments chimiques dans la croûte terrestre.

Questions

1. Identifiez les trois éléments chimiques majoritaires dans la croûte terrestre.


2. Réalisez un diagramme circulaire donnant la répartition des 10 éléments chimiques en considérant que ce sont les seuls présents dans la croûte terrestre.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


3. Comment ces éléments chimiques sont-ils arrivés sur Terre ?


4
Réaction triple alpha

Reconnaître une réaction nucléaire

Version experts (C) ici.


Une des réactions qui se produit dans les étoiles est la réaction « triple alpha », qui est à l’origine de la formation des noyaux de carbone 12. Cette réaction se produit vers la fin de vie d’une étoile, quand la température (100 MK) devient suffisamment élevée pour que le béryllium 8 puisse rencontrer un noyau d’hélium et former le carbone 12 très stable.

Questions

1. Donnez la composition du noyau d’hélium 4 (ZHe=2Z_{\text{He}}= 2), du béryllium 8 (ZBe=4Z_{\text{Be}}= 4) et du carbone 12 (ZC=6Z_{\text{C}}= 6).


2. Écrivez les deux équations des réactions qui permettent de transformer l’hélium 4 en carbone 12.


3. Indiquez de quel type de réaction il s’agit.

Schéma de la réaction triple alpha
Des noyaux de carbone 12 se forment à partir de la particule α.\alpha.
Schéma de la réaction « triple alpha ».

B
Réactions nucléaires en chaîne

Reconnaître une réaction nucléaire

Version initiale (le coin des experts exercice 7) ici.



Schéma des différents modes de désintégration
2
Schéma des différents modes de désintégration.

Il existe plusieurs modes de désintégration pour un noyau radioactif. La désintégration d’un noyau père X\text{X} s’accompagne de l’émission d’une particule ainsi que de la modification du noyau en un noyau fils Y.\text{Y}.

Données

Numéro atomique et symbole des éléments :
  • uranium : Z(U)=92Z(\text{U}) = 92 ;
  • neptunium : Z(Np)=93Z(\text{Np}) = 93 ;
  • plutonium : Z(Pu)=94.Z(\text{Pu}) = 94.


Questions

1. Indiquez les grandeurs représentées en abscisses et en ordonnées du diagramme.


2. Associez à chaque type de désintégration, le noyau fils formé, et justifiez.
  • Désintégration de type α\alpha
  • Désintégration de type β\beta^{-}
  • Désintégration de type β+\beta^{+}

3. Attribuez à chacune des équations le type de désintégration qui lui correspond et justifiez :

a. ZAXZ-2A-4Y+24He_{\text{Z}}^{\text{A}} \mathrm{X} \rightarrow\,_{\text{Z-2}}^{\text{A-4}} \mathrm{Y}\:{+}\: _{2}^{4}\mathrm{He}

b. ZAXZ+1AY+10e_{\text{Z}}^{\text{A}} \mathrm{X} \rightarrow\,_{\text{Z+1}}^{\text{\:\:\:\:A}} \mathrm{Y}\:{+}\: _{-1}^{\:\:\:0}\mathrm{e^-}

c. ZAXZ-1AY+10e+_{\text{Z}}^{\text{A}} \mathrm{X} \rightarrow\,_{\text{Z-1}}^{\text{\:\:\:A}} \mathrm{Y}\:{+}\: _{1}^{0}\mathrm{e^+}


4. Le plutonium 244 a été identifié dans des météorites anciennes, laissant penser qu’il a été créé au cours de la formation du système solaire. C’est un élément radioactif qui peut se désintégrer. Le noyau fils obtenu peut à son tour se désintégrer. La chaîne de désintégration permet d’obtenir un isotope stable. Le tableau présente quelquesuns des isotopes de la chaîne de désintégration. Recopiez et complétez les équations de désintégration de quelques noyaux radioactifs issus de la désintégration du plutonium 244.

  • 94244Pu92240...+......He_{94}^{\text{244}} \mathrm{Pu} \rightarrow\, _{92}^{\text{240}} \mathrm{...} + _{...}^{\text{...}} \mathrm{He}, désintrégration de type ...
  • 92240......240Np+10e_{92}^{\text{240}} \mathrm{...} \rightarrow\, _{...}^{\text{240}} \mathrm{Np} +_{-1}^{\:\:\:0}\mathrm{e^-}, désintrégration de type ...
  • ...240Np94......+10e_{...}^{\text{240}} \mathrm{Np} \rightarrow\, _{94}^{\text{...}} \mathrm{...} +_{-1}^{\:\:\:0}\mathrm{e^-}, désintrégration de type ...
  • 94......92236U+........._{94}^{\text{...}} \mathrm{...} \rightarrow\, _{92}^{\text{236}} \mathrm{U} +_{...}^{...}\mathrm{...}, désintrégration de type ...

Élément Type de désintégration
Plutonium 244
α\alpha
Uranium 240
β\beta^{-}
Neptunium 240
β\beta^{-}
Plutonium 240
α\alpha
1
Modes de désintégration de certains éléments radioactifs.

A
Isotopes de l’hydrogène (d'après bac S, centres étrangers 2005)

Reconnaître une réaction nucléaire

Version initiale (l'atelier des apprentis exercice 2) ici.


Pour remplacer les centrales nucléaires à fission, qui produisent de nombreux déchets radioactifs et posent des problèmes environnementaux, la recherche s’oriente vers les réactions de fusion entre le deutérium et le tritium. Les nouvelles centrales à fusion seraient beaucoup moins polluantes et sans danger pour l’Homme.

Représentation artistique d’un réacteur à fusion nucléaire
Représentation artistique d’un réacteur à fusion nucléaire.


Questions

1. Quelle est l'écriture conventionnelle du noyau d'un atome X ?Donnez la signification et le nom de toutes les lettres utilisées.


2. Rappelez la définition du terme « isotopes ».


3. Le noyau d’hydrogène 1, dont l’écriture conventionnelle est 11H_{1}^{1} \mathrm{H} , est l’isotope de l’hydrogène le plus abondant sur Terre. Donnez la composition de son noyau.


4. Il existe deux autres isotopes de l’hydrogène : le deutérium 12H_{1}^{2} \mathrm{H} et le tritium 13H_{1}^{3} \mathrm{H}. Donnez la composition de leurs noyaux.


5. La réaction de fusion aboutit à la formation d’un noyau d’hélium 4 et d’un neutron. Écrivez l’équation de la réaction nucléaire qui pourrait se produire au coeur des futures centrales à fusion.

6
Datation au carbone 14

Utiliser une décroissance radioactive pour une datation


Datation au carbone 14
Voir les réponses

Un morceau de charbon a été retrouvé à l’entrée d’une grotte et on le soumet à une datation au carbone 14. Cet élément radioactif est présent dans tout être vivant à un taux constant. À leur mort, les échanges de matière avec le milieu n’ayant plus lieu, le taux de carbone 14 diminue car il se désintègre. La mesure de ce taux dans un échantillon permet donc de dater approximativement sa mort.

Données
La demi-vie du carbone 14 est de t1/2=t_{1/2}= 5 734 ans.

Question

Déterminez l’âge du morceau de charbon sachant que l’activité de l’échantillon testé montre que le nombre d'atomes de carbone 14 est 16 fois plus faible qu'à sa formation.


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