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Comprendre et utiliser la radioactivité dans des enquêtes

Understanding ans using radioactivity for Investigation

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radioactivité

Saisir comment se produit la désintégration radioactive des noyaux, grâce à des modèles et sans aucun danger ! Etablir et comprendre la loi mathématique qui régit ce phénomène. Puis devenir un enquêteur et résoudre des énigmes scientifiques grâce à cette loi.

"Safely investigate the radioactive decay of nuclei, with the help of models. State and understand the mathematic Law that draws this phenomena. Then you will resolve scientific enigma thanks to your new knowledge."

Rédacteur :

  • Cécile Maunoury, Lycée Jean Guéhenno, Flers

Objectifs disciplinaires

Il s'agit d'abord de mettre en pratique les connaissances acquises en cours (tronc commun) sur la radioactivité : différents types, caractère aléatoire du phénomène, décroissance, constante de temps (temps caractéristique).

La radioactivité est utilisée pour déterminer l'âge de certains terrains et de certains fossiles. Les techniques sont diverses selon l'âge estimé, celle par le carbone 14 étant la plus connue.

Elle a d'ailleurs valu à son principal auteur le professeur Willard Frank LIBBY le prix Nobel de chimie en 1960 : ) "pour ses travaux sur l'utilisation du carbone 14 comme élément de détermination de l'ancienneté en archéologie, en géologie, en géophysique et en d'autres sciences".
Les applications fascinent les élèves, à juste titre.

Références au programme

  • Programme de TS BOEN hors-série n°4 du 30 août 2001 page 80

B - Transformations nucléaires (2 TP - 7HCE)
1 - Décroissance radioactive
1.3 Loi de décroissance
Évolution de la population moyenne d'un ensemble de noyaux radioactifs :ΔN = -λNΔt; N = Noe-Lt
Importance de l'activité ΙΔNΙ/Δt ; le becquerel.
Constante de temps :τ=l/λ.
Demi-vie :t1/2=τ/ln2 .
Application à la datation.

Niveaux de compétence en langue

Expression orale en interaction : B1 Compréhension de l'écrit : B1 Expression écrite : B1

Fiche analytique

Notion(s) centrale(s)

Connaître l'expression de la loi de décroissance et exploiter la courbe de décroissance. Expliquer le principe de la datation, le choix du radioélément et dater un évènement.

Dimensions culturelle/interculturelle/interdisciplinaire

La séance 1 est inspirée d'une ressource pédagogique du SERC (Carleton College, Minnesota, USA), pour les géosciences.
http://serc.carleton.edu/quantskills/methods/quantlit/RadDecay.html
On trouve sur ce site beaucoup d'autres propositions de travaux dirigés sur le même sujet.

Science Education Resource Center
Carleton College
One North College Street
Northfield, MN 55057 USA
Office - 507 222-5749
Fax - 507-222-5175
serc@carleton.edu

Activité(s) langagière(s) dominante(s) travaillée(s) au cours de la séquence

  • Interaction orale
  • Compréhension écrite
  • Production écrite

Exploitation pédagogique

Démarche pédagogique

- Il s'agit d'une séquence d'introduction.

  • La première séance est une séance de travaux pratiques (2h). Elle a lieu après une présentation en cours (en français) de la structure des noyaux et de leur stabilité (carte N/Z) et des désintégrations αΒ+Β-.

* On introduit d'abord le caractère aléatoire et irréversible des désintégrations à l'aide du modèle du popcorn. Le professeur réalise ces « désintégrations » de grains de maïs et les élèves recherchent les adjectifs permettant de qualifier le phénomène. (15 minutes)
* Puis la loi de décroissance est découverte à l'aide du modèle des dés. Il s'agit alors d'une séance de travaux dirigés, par équipes de 2. Les élèves utilisent des dés pour effectuer des lancers et enregistrent leurs résultats dans un tableur. La manipulation du tableur n'est pas nouvelle pour eux. Ils tracent la courbe représentative des données expérimentales et trouvent à l'aide du tableur le meilleur modèle mathématique compatible avec ces données.
* On revient ensuite ensemble sur l'analogie des popcorns et on résume les notions essentielles de la séance.

  • La deuxième séance est une séance de travaux pratiques (2h)

Elle est consacrée aux méthodes de datation, elle se compose d'exercices de difficulté croissante.
* La séance commence par un exposé rapide du principe des méthodes de datation. On utilise des sites web Anglo-saxons (15 min).
* Puis les élèves travaillent par groupes de 2 pour résoudre les énigmes proposées. Un bref corrigé est donné par un élève au tableau avant de passer à l'énigme suivante.
* En fin de séance, 5 minutes sont consacrées à faire le point sur les méthodes de datation.

 

Évaluation

Proposition d'évaluation

Une évaluation est proposée à la fin de la fiche élève de la deuxième séance : par exemple, la préparation peut être réalisée par les élèves à la maison et on peut faire une mise en commun en classe, avec présentation à l'oral d'élèves volontaires (1h). On vérifie la bonne compréhension des méthodes de datation et la capacité à reconnaître les paramètres du phénomène dans l'énoncé (mise en équation).

Ouverture internationale et interdisciplinarité

Ouverture internationale

Les énigmes de la deuxième séance et de la partie évaluation peuvent être proposées à une classe scientifique d'un établissement étranger anglophone apparié, et les élèves peuvent être incités à chercher ensemble en communiquant par mails ou msn.
La radioactivité est étudiée en elle-même et pour ses applications dans pratiquement toutes les universités et dans de nombreux centres de recherche.
La radioactivité, phénomène aléatoire, se prête bien à des études statistiques (suites) et à al recherche de lois grâce aux tableurs grapheurs.

Prolongements dans la discipline

Il est difficile de passer beaucoup de temps en terminale sur la radioactivité. Les propriétés du noyau intéressent évidemment les élèves par les autres multiples applications : production d'énergie, applications thérapeutiques, stérilisation de plantes ...
L'équation différentielle (linéaire et du premier ordre) vérifiée par la taille de la population de noyaux se retrouve dans de nombreux autres phénomènes (mécanique, électricité).

Interdisciplinarité

La relation entre cette séquence et les Sciences de La Vie et de Terre est évidente, l'utilisation de la datation des roches étant au programme de TS.
L'histoire-géographie est également partie prenante : datation des fossiles, des terrains, ...
Les mathématiques sont intéressées à un double titre. D'abord, l'étude des suites aléatoires grâce à l'ordinateur. Ensuite, une proposition un peu étonnante et très récente des mathématiciens est d'utiliser l'équation différentielle de la radioactivité avec sa solution exponentielle pour illustrer et étudier les propriétés de cette fonction.

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