Physique-chimie · Première · Physique nucléaire et radioactivité · 3e Trimestre

Radioactivité Bêta (β- et β+)

Les élèves décrivent les désintégrations bêta moins et bêta plus et leurs équations.

• Programmes Officiels
• EDNAT.PC.704

À propos de ce thème

Les desintegrations beta sont les transformations nucleaires ou un neutron se convertit en proton (beta moins, β⁻) ou un proton en neutron (beta plus, β⁺). En desintegration β⁻, le noyau emet un electron et un antineutrino ; en β⁺, il emet un positon et un neutrino. Dans les deux cas, le nombre de masse A reste inchange tandis que Z varie de 1.

Le programme de l'Education Nationale exige que les eleves sachent distinguer ces deux types de desintegration, ecrire leurs equations en respectant les lois de Soddy, et comprendre quand un noyau subit l'une ou l'autre. Un noyau trop riche en neutrons (au-dessus de la vallee de stabilite) subit une desintegration β⁻. Un noyau trop riche en protons (en dessous de la vallee) subit une β⁺.

La question « comment un electron peut-il sortir d'un noyau qui n'en contient pas ? » est un levier pedagogique remarquable. En travaillant en groupe sur cette question avant toute explication, les eleves construisent activement la notion de creation de particule lors de la transformation du neutron.

Questions clés

1. Comment une particule bêta moins peut-elle sortir d'un noyau qui ne contient pas d'électrons?
2. Différenciez la désintégration bêta moins de la désintégration bêta plus.
3. Écrivez les équations de désintégration bêta en respectant les lois de Soddy.

Objectifs d'apprentissage

• Expliquer la création d'une particule élémentaire (électron ou positon) lors d'une désintégration bêta à partir de la transformation d'un nucléon.
• Comparer les transformations nucléaires des désintégrations bêta moins (β⁻) et bêta plus (β⁺) en termes de variation du nombre de protons et de neutrons.
• Écrire les équations nucléaires équilibrées pour les désintégrations β⁻ et β⁺ en appliquant la conservation du nombre de masse (A) et de la charge (Z).
• Classer un isotope donné comme susceptible de subir une désintégration β⁻ ou β⁺ en fonction de sa position par rapport à la vallée de stabilité.

Avant de commencer

Structure du noyau atomique

Pourquoi : Les élèves doivent connaître la composition du noyau (protons, neutrons) et les notions de nombre de masse (A) et de numéro atomique (Z) pour comprendre les transformations.

Conservation de la charge et de la masse

Pourquoi : La compréhension des lois de conservation est fondamentale pour écrire et vérifier les équations des réactions nucléaires.

Vocabulaire clé

Désintégration bêta moins (β⁻)	Transformation nucléaire où un neutron se convertit en proton, émettant un électron (β⁻) et un antineutrino. Le nombre de masse A reste constant, Z augmente de 1.
Désintégration bêta plus (β⁺)	Transformation nucléaire où un proton se convertit en neutron, émettant un positon (β⁺) et un neutrino. Le nombre de masse A reste constant, Z diminue de 1.
Positon	L'antiparticule de l'électron, ayant la même masse mais une charge électrique positive. Il est émis lors de la désintégration bêta plus.
Antineutrino	Particule élémentaire neutre, de masse très faible, émise avec l'électron lors d'une désintégration bêta moins pour conserver l'énergie et la quantité de mouvement.
Neutrino	Particule élémentaire neutre, de masse très faible, émise avec le positon lors d'une désintégration bêta plus pour conserver l'énergie et la quantité de mouvement.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

L'electron emis en desintegration β⁻ etait present dans le noyau.

Ce qu'il faut enseigner à la place

L'electron n'existait pas dans le noyau : il est cree lors de la transformation d'un neutron en proton. C'est un processus de creation de matiere, pas d'ejection. Le debat en groupe sur l'origine de l'electron est un excellent declencheur pour comprendre cette subtilite.

Idée reçue courante

En desintegration beta, le nombre de masse A change.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le nombre de masse A reste constant car un neutron se transforme en proton (ou inversement). Le nombre total de nucleons ne change pas. Seul Z varie de +1 (β⁻) ou -1 (β⁺). La verification systematique A gauche = A droite en binome elimine cette erreur.

Idée reçue courante

La desintegration β⁺ emet un electron comme la β⁻.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La β⁺ emet un positon (antiparticule de l'electron, meme masse mais charge positive). Le positon s'annihile rapidement avec un electron en produisant deux photons gamma. Cette distinction est cruciale pour comprendre la TEP (tomographie par emission de positons) utilisee en imagerie medicale.

Idées d'apprentissage actif

Penser-Partager-Présenter: β⁻ ou β⁺ ?

L'enseignant donne six noyaux avec leur position par rapport a la vallee de stabilite. Chaque eleve predit le type de desintegration, puis compare avec son voisin. Les desaccords sont tranches en verifiant le rapport N/Z et la position sur le diagramme.

15 min·Binômes

Cercle de recherche: D'ou vient l'electron ?

Avant toute explication, les groupes debattent de la question : comment un electron peut-il etre emis par un noyau qui ne contient pas d'electrons ? Chaque groupe formule une hypothese ecrite. L'enseignant collecte les propositions et guide vers la notion de transformation neutron → proton + electron + antineutrino.

25 min·Petits groupes

Galerie marchande: Applications medicales des emetteurs beta

Quatre stations presentent des isotopes beta utilises en medecine : iode-131 (thyroide), fluor-18 (TEP), carbone-14 (datation), strontium-90 (radiotherapie). Les groupes ecrivent l'equation de desintegration pour chaque isotope, puis discutent du lien entre type de desintegration et application.

35 min·Petits groupes

Enseignement par les pairs: Lois de Soddy appliquees

En binome, un eleve ecrit l'equation β⁻ du carbone-14 et l'autre l'equation β⁺ du fluor-18. Chacun explique ensuite a son partenaire comment il a verifie la conservation de A et Z, et pourquoi la particule emise est differente dans les deux cas.

15 min·Binômes

Liens avec le monde réel

• En médecine nucléaire, les isotopes émetteurs de positons comme le Fluor-18 sont utilisés dans la tomographie par émission de positons (TEP) pour visualiser des processus métaboliques dans le corps humain, aidant au diagnostic de cancers ou de maladies neurologiques.
• La datation au radiocarbone, une technique utilisée par les archéologues et les géologues, repose sur la désintégration bêta moins du Carbone-14 pour estimer l'âge de fossiles, de restes organiques ou de roches sédimentaires.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Présentez aux élèves deux schémas de noyaux atomiques (un déséquilibré en neutrons, l'autre en protons). Demandez-leur d'écrire quel type de désintégration (β⁻ ou β⁺) chaque noyau est susceptible de subir et pourquoi.

Billet de sortie

Sur un petit papier, demandez aux élèves d'écrire l'équation de désintégration pour un isotope donné (par exemple, le Carbone-14 pour β⁻ ou le Sodium-22 pour β⁺) en s'assurant que les lois de Soddy sont respectées. Ils doivent aussi écrire une phrase expliquant la transformation d'un nucléon.

Question de discussion

Posez la question: 'Comment un électron peut-il être émis par un noyau qui ne contient que des protons et des neutrons ?' Laissez les élèves débattre en petits groupes pendant 5 minutes avant de lancer une discussion collective guidée par l'enseignant pour introduire la notion de création de particule.

Questions fréquentes

Quelle est la difference entre la desintegration beta moins et beta plus ?

En β⁻, un neutron se transforme en proton, emettant un electron et un antineutrino. Z augmente de 1. En β⁺, un proton se transforme en neutron, emettant un positon et un neutrino. Z diminue de 1. Dans les deux cas, A reste constant car le nombre total de nucleons ne change pas.

Comment savoir si un noyau subit une desintegration beta moins ou beta plus ?

On regarde la position du noyau par rapport a la vallee de stabilite sur le diagramme (N, Z). Un noyau au-dessus de la vallee (exces de neutrons) subit une β⁻ pour convertir un neutron en proton. Un noyau en dessous (exces de protons) subit une β⁺ pour convertir un proton en neutron.

Qu'est-ce qu'un positon et a quoi sert-il en medecine ?

Le positon est l'antiparticule de l'electron : meme masse, charge opposee (+e). Lorsqu'il rencontre un electron, les deux s'annihilent en emettant deux photons gamma a 180°. C'est le principe de la TEP : on injecte un emetteur β⁺ (fluor-18) et on detecte les paires de photons pour localiser les tumeurs.

Comment aborder les desintegrations beta en pedagogie active ?

Le debat en groupe sur la question « d'ou vient l'electron emis par le noyau ? » est un declencheur tres efficace. Les eleves confrontent leurs idees avant de recevoir l'explication. Ensuite, l'ecriture d'equations en binome avec verification croisee des lois de Soddy consolide les acquis.